Modelo generalizado de amortiguamiento para osciladores MEMS desde el régimen de flujo molecular hasta el viscoso
Autores: Zengerle, Tobias; Ababneh, Abdallah; Seidel, Helmut
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Modelo generalizado de amortiguamiento para osciladores MEMS desde el régimen de flujo molecular hasta el viscoso
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería General
Palabras clave
Investigar
Fenómenos de amortiguamiento
Osciladores MEMS
Modos de flexión
Frecuencia de resonancia
Factor de calidad
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 33
Citaciones: Sin citaciones
En este estudio, investigamos los fenómenos de amortiguamiento que actúan sobre osciladores MEMS impulsados piezoeléctricamente. Tres formas geométricas diferentes de osciladores MEMS son presentadas, incluyendo voladizos, osciladores de flexión y osciladores de paleta. Se deriva un modelo analítico para sus frecuencias de resonancia. Los modos de flexión de estas estructuras de micro-oscilador son caracterizados con respecto a su frecuencia de resonancia y su factor de calidad como función de la presión ambiental en una atmósfera de nitrógeno, así como la dependencia de la distancia a una placa vecina que representa un límite geométrico (por ejemplo, al paquete o al montaje). Las investigaciones cubren un rango de presión desde 10 mbar hasta 900 mbar y un ancho de separación desde 150 um hasta 3500 um. En consecuencia, se cubre un rango de números de Knudsen de seis órdenes de magnitud, desde 100 hasta 10. Los datos de medición son evaluados con un modelo de amortiguamiento generalizado que consta de cuatro partes que representan los mecanismos de amortiguamiento individuales (intrínseco, molecular, de transición y viscoso). Los parámetros evaluados son analizados como función de la frecuencia de resonancia y el ancho de separación. Los datos revelan un comportamiento de saturación de crecimiento exponencial, que está determinado por dos longitudes características, correlacionadas con el espesor de la capa límite viscosa y térmica, respectivamente. Esto lleva a una estimación de la intensidad y del alcance del efecto de amortiguamiento simplemente calculando los espesores de la capa límite dados por la frecuencia de resonancia y las propiedades del gas. A partir de estos resultados, obtenemos conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de amortiguamiento viscoso y de transición, así como sobre las pérdidas intrínsecas. En conclusión, se proporciona un concepto básico para reducir el amortiguamiento de los modos de flexión de micro-oscilador y así aumentar el factor de calidad. Además, los resultados son respaldados por simulaciones de elementos finitos que revelan la distribución de temperatura y presión dentro del espacio de separación.
Descripción
En este estudio, investigamos los fenómenos de amortiguamiento que actúan sobre osciladores MEMS impulsados piezoeléctricamente. Tres formas geométricas diferentes de osciladores MEMS son presentadas, incluyendo voladizos, osciladores de flexión y osciladores de paleta. Se deriva un modelo analítico para sus frecuencias de resonancia. Los modos de flexión de estas estructuras de micro-oscilador son caracterizados con respecto a su frecuencia de resonancia y su factor de calidad como función de la presión ambiental en una atmósfera de nitrógeno, así como la dependencia de la distancia a una placa vecina que representa un límite geométrico (por ejemplo, al paquete o al montaje). Las investigaciones cubren un rango de presión desde 10 mbar hasta 900 mbar y un ancho de separación desde 150 um hasta 3500 um. En consecuencia, se cubre un rango de números de Knudsen de seis órdenes de magnitud, desde 100 hasta 10. Los datos de medición son evaluados con un modelo de amortiguamiento generalizado que consta de cuatro partes que representan los mecanismos de amortiguamiento individuales (intrínseco, molecular, de transición y viscoso). Los parámetros evaluados son analizados como función de la frecuencia de resonancia y el ancho de separación. Los datos revelan un comportamiento de saturación de crecimiento exponencial, que está determinado por dos longitudes características, correlacionadas con el espesor de la capa límite viscosa y térmica, respectivamente. Esto lleva a una estimación de la intensidad y del alcance del efecto de amortiguamiento simplemente calculando los espesores de la capa límite dados por la frecuencia de resonancia y las propiedades del gas. A partir de estos resultados, obtenemos conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de amortiguamiento viscoso y de transición, así como sobre las pérdidas intrínsecas. En conclusión, se proporciona un concepto básico para reducir el amortiguamiento de los modos de flexión de micro-oscilador y así aumentar el factor de calidad. Además, los resultados son respaldados por simulaciones de elementos finitos que revelan la distribución de temperatura y presión dentro del espacio de separación.