بررسي ضريب كيفيت در ارتعاشات خطي ميكروصفحه مستطيلي با در نظر گرفتن اثر ميرايي ترموالاستيك

Investigation of Quality Factor for Linear Vibrations of Rectangular Micro-plates with Thermoelastic Damping

با توجه به لزوم دستيابي به تشديدگرهاي با ضريب كيفيت بالا در سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي، شناخت و بررسي عوامل موثر بر ضريب كيفيت امري ضروري و اجتناب ناپذير مي‌باشد. در سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي از ميكروصفحات مرتعش به عنوان تشديدگر و فيلترهاي راديويي استفاده مي‌شود. در اين پژوهش به بررسي اثر ميرايي ترموالاستيك كه از مهم‌ترين عوامل تاثير گذار بر ضريب كيفيت ميكروساختارها مي‌باشد، براي ارتعاشات عرضي ميكروصفحه مستطيلي شكل در دو حالت آزاد و اجباري پرداخته شده است. ارتعاشات اجباري ميكروصفحه در پژوهش حاضر ناشي از اعمال نيروي الكترواستاتيك در نظر گرفته مي‌شود. جهت ساده‌سازي و حل معادلات از روش گالركين استفاده شده است. نتيجه يك معادله جبري غيرخطي مي‌باشد كه مي‌تواند براي محاسبه ضريب كيفيت ميكروصفحات مستطيلي با شرايط مرزي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. بر خلاف پژوهش‌هاي پيشين، مدل ارائه شده به‌طور مستقيم مي‌تواند ضريب كيفيت را محاسبه كند و نيازي به محاسبه فركانس طبيعي در حالت بدون در نظر گرفتن ميرايي ترموالاستيك ندارد. براي شبيه‌سازي اجزاي محدود از نرم‌افزار كامسول مولتي‌فيزيكس استفاده شده است. در پايان پس از اطمينان از صحت نتايج، تاثير پارامترهاي مختلف بر ضريب كيفيت ميكروصفحه مورد بررسي قرار گرفته است. مدل ارائه شده جهت محاسبه ولتاژ ناپايداري كششي نيز مي‌تواند موثر واقع شود.

Regarding the necessity of obtaining high-quality resonators in micro-electromechanical systems, recognizing and investigating the parameters that affect the quality factor of micro-structures are essential and inevitable. Thermoelastic damping is a dominant source of damping which has a considerable effect on the quality factor. In micro-electromechanical systems, microplates are used as resonators and radio frequency filters and so on. In this paper, the effect of thermoelastic damping, which is one of the most important factors affecting the quality factor, has been investigated for rectangular micro-plates. The micro-plate is subjected to an electrostatic actuation. Galerkin method has been used to simplify and solve the governing equations. The result is a nonlinear algebraic equation for the quality factors of microplates of general conditions due to thermoelastic damping. Unlike previous researches, the proposed model can directly calculate the quality factor and there is no need of calculating undamped natural frequency. COMSOL multiphysics software is used for finite element simulation. After verification of the proposed model, the effect of various parameters on the quality factor is investigated. The proposed model can also be used to calculate the pull-in instability voltage. The results of the current paper can be used to design micro-electromechanical systems.