Адрес для переписки:Белорусский национальный технический университет,пр-т Независимости, 65, Минск 220013, Беларусь
e-mail: ausi@bntu.by
Address for correspondence: Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, e-mail: ausi@bntu.by
пр-т Независимости, 65,г. Минск 220013
Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013
пр-т Независимости, 65,г. Минск 220013
Nezavisimosty Ave., 65,Minsk 220013
пр-т Независимости, 65,г. Минск 220013
Nezavisimosty Ave., 65,Minsk 220013
пр-т Независимости, 65, г. Минск 220013
Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013
Управление ёмкостью микромеханических переключателей ёмкостного типа происходит с высокой частотой за счёт изменения расстояния между гибкой мембраной и опорным электродом, поэтому колебания мембраны будут оказывать влияние на электрические сигналы и эксплуатационные характеристики таких переключателей. Целью работы являлось определение величин колебаний тонких мембран при высокочастотном воздействии и сопоставление их с величинами статических прогибов при аналогичном постоянном усилии. Использовался метод конечных элементов с пересчётом положений сетки по методу Эйлера–Лагранжа с последующим модальным и гармоническим анализом колебаний мембраны под действием периодически изменяющейся пондеромоторной силы, рассчитанной для выбранного диапазона напряжений. В качестве материалов мембраны рассматривались золото и вольфрам. Для рассмотренной геометрии амплитуда колебаний мембраны из золота в исследованном дорезонансном диапазоне частот на 16–21 % превышает величину статического прогиба, тогда как для вольфрамовой мембраны – только на 2,2–3,2 %, что объясняется значительно большим модулем упругости вольфрама. Для более жёсткой мембраны также характерны бόльшие значения собственных частот. Увеличение амплитуды пондеромоторной силы приводит к кратному увеличению амплитуд колебаний мембраны, но не изменяет форму амплитудно-частотной характеристики. Показана актуальность исследования колебаний мембран в дорезонансной области. Приведены конструктивные способы повышения жёсткости мембран и оптимизации конструкций МЭМС-систем с элементами, совершающими колебательные движения.
Capacitance control of capacitive type micromechanical switches occurs at a high frequency due to a change of the distance between the flexible membrane and the reference electrode. Membrane oscillation will affect the electrical signals and operational characteristics of such switches. The aim of the work was to determine the values of vibrations of thin membranes under high-frequency exposure and compare them with the values of static bending under a similar constant force. The finite element analysis method was used with the recalculation of grid positions using the Euler–Lagrange method, with further modal and harmonic analysis of membrane vibrations under the action of a periodically varying ponderomotor force calculated for the selected voltage range. Gold and tungsten were considered as membrane materials. For considered membrane geometry the oscillation amplitude of the gold membrane in the studied preresonance frequency range is 16–21 % higher than the static bending value, whereas for the tungsten membrane it is only 2.2–3.2 %, which is explained by the significantly higher modulus of elasticity of tungsten. A more rigid membrane is also characterized by high values of natural frequencies. An increasing in the amplitude of the ponderomotor force leads to a multiple increasing of membrane vibration amplitudes, but does not change the shape of the amplitude-frequency response. The relevance of studying membrane vibrations in the preresonance values is shown. Constructive ways of increasing the rigidity of membranes and optimizing the design of MEMS systems with oscillation elements are given.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.