مدل‎سازي و محاسبه‌ ضريب كيفيت اتلاف تكيه‌گاه در مد ارتعاشي شناور تشديدگر مستطيلي ميكرومكانيكي با دو تير نگهدارنده T شكل

Modeling and calculating the anchor loss quality factor in the plunging-mode vibrations of a micromechanical rectangular-plate resonator with two T-shaped support beams

تشديدگرهاي ميكرومكانيكي قطعات كوچكي هستند كه در فركانس‌هاي بالا ارتعاش مي‏كنند. امروزه با پيشرفت‏هاي انجام شده در زمينه ساخت سيستم‏هاي ميكروالكترومكانيكي، اين تشديدگرها در حسگرها، سيستم‏هاي ارتباطي بي‏سيم و ناوبري كاربرد گسترده‏اي يافته‏اند. مكانيزم‌هاي رايج اتلاف انرژي در تشديدگرهاي ميكرومكانيكي شامل اتلاف هوا، اتلاف ترموالاستيك و اتلاف تكيه‌گاه مي‏شوند. در اين مقاله با توجه به غالب بودن مكانيزم اتلاف تكيه‏گاه در كاربردهاي مهمي مانند نوسان‏سازها، فيلترهاي الكتريكي و ژيروسكوپ‌ها، رابطه ضريب كيفيت اتلاف تكيه‌گاه در مد ارتعاشي شناور تشديدگر مستطيلي ميكرومكانيكي با دو تير نگهدارنده محاسبه و براي اعتبارسنجي از مطالعات آزمايشگاهي استفاده مي‏شود. نتايج به‏دست آمده با نتايج آزمايشگاهي مطابقت قابل قبولي داشته و درستي مدل‏سازي انجام شده را نشان مي‎دهد. همچنين اين نتايج نشان مي‌دهند كه ضريب كيفيت اتلاف تكيه‌گاه با افزايش ضخامت زيرلايه افزايش مي‌يابد. علاوه بر اين، طرح جديدي براي افزايش ضريب كيفيت اتلاف تكيه‏گاه در مد ارتعاشي شناور تشديدگرهاي مستطيلي ميكرومكانيكي پيشنهاد مي‏شود. براي اين منظور، از تيرهاي T شكل به جاي تيرهاي نگهدارنده معمولي استفاده شده و محاسبات انجام شده نشان مي‏دهند كه ضريب كيفيت تشديدگر در فركانس‏ تشديد يكسان در حدود 5/1 برابر افزايش مي‏يابد.

Micromechanical resonators are miniature devices that vibrate at high frequencies. Nowadays, with the recent advances in micro-electro-mechanical systems (MEMS) fabrication technology, micromechanical resonators are used widely in sensors, wireless communication and navigation systems. The commonly encountered energy loss mechanisms in micromechanical resonators include airdamping, thermoelasticdissipationand anchor loss. Inthispaper, with regard to thedominated quality factor by anchorlossinsome important applications including oscillators, electrical filters and gyroscopes, the closed-form expression is obtained for anchorlossqualityfactorin the plunging-mode vibrations of micromechanical rectangular-plate resonatorwithtwo support beams. The findings are validated by comparing with experimental data.As far as there is an acceptable match between the analytical and experimental results, the proposed model is confirmed. The results also show thatthe anchorlossqualityfactorincreases with increasing substrate thickness. Moreover, a new design is proposed to enhance the anchorlossqualityfactor in the plunging-mode vibrations of micromechanical rectangular-plate resonators. Forthis purpose, theconventionalsupportbeamsare replaced with T-shaped support beams. Besides, the results show that theanchor loss quality factorat thesameresonantfrequencyis enhanced about1.5 times.