بهينه‌سازي ساختار خازن‌هاي متغير ميكروالكترومكانيكي با تحريك الكتروستاتيكي به روش مهاجرت اعضا

Particle Swarm Optimization for Design MEMS Variable Capacitors with Electrostatic Actuation

با توجه به نقش خازن‌هاي الكتريكي متغير در افزايش دقت تجهيزات الكتريكي، پيشرفت روزافزوني در طراحي و ساخت آن‌ها به وجود آمده است. با وجود تمام پيشرفت‌ها، دستيابي همزمان به خازن متغير با ولتاژ تحريك پايين، زمان نشست كوتاه، دامنه تغييرات زياد ظرفيت الكتريكي، اندازه كوچكتر و طول عمر طولاني هنوز امري دشوار است. براي غلبه بر اين محدوديت‌ها بهينه‌سازي در طراحي خازن‌ها اهميت ويژه‌اي مي‌يابد. در اين مقاله، طراحي يك خازن متغير ميكروالكترومكانيكي با تحريك الكتروستاتيكي، شامل قسمت‌هاي مدل‌سازي، شبيه‌سازي و بهينه‌سازي ساختار انجام شده است. بهينه‌سازي در ساختار با الگوريتم جديد مهاجرت اعضا انجام شده، كه برخلاف روش‌هاي مشتق پايه، بهينه‌ي مطلق را بدست مي‌دهد. همچنين با برقراري ارتباط بين نرم‌افزارهاي ANSYS و MATLAB، نرم‌افزاري تهيه شده كه قابليت انجام طراحي هر گونه ساختار خازن متغير ميكروالكترومكانيكي دو صفحه‌اي با تحريك الكتروستاتيكي را دارا است، به طوري كه فقط كافي است معيارهاي مورد نظر طراح از جمله ماكزيمم ولتاژ تحريك، خازن اوليه، و محدوده‌ي مجاز ابعاد ساختار به برنامه داده شود، تا با واگذاري بقيه فرآيند به برنامه، طراحي و ابعاد بهينه‌ي ساختار معلوم گردد. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه محدوده‌ي تنظيم خازني 50%، با مقدار ولتاژ تحريك كمتري نسبت به كارهاي ديگر، بدست مي‌آيد.

According to various applications of variable capacitors in electrical devices, design and fabrication of them are well developed. However, reaching to variable capacitor with low drive voltage, short settling time, wide tuning range, smaller dimensions, and longer lifetime, simultaneously, are difficult yet. In this paper, to satisfy these constraints, particle swarm optimization (PSO) is used in designing MEMS capacitors. In spite of gradient based algorithms, PSO achieves the absolute optimized value. The design consists of modeling, simsulation, and optimization. In addition, a method is introduced to realize the calling of simulation analysis programs designed by ANSYS parametric design language (APDL) in MATLAB. This method is capable to design every microelectromechanical two plate capacitors with electrostatic actuation. The proposed design method is as follows: First, the desired amounts of parameters that are important for the designers such as maximum drive voltage, initial capacitance, and limitations of structure dimensions are fed to the program as inputs. Then, the program starts to design a structure of variable capacitor and sends out the optimized structure design. The simulation results show that tuning range of 50% is obtained with a lower actuation voltage than the other works.