MEMS Tabanlı Mikro Rezonatörün Tasarımı ve Analizi

Abstract

Mikro-Elektro-Mekanik (MEMS) rezonatörler uzun zamandır sensör tasarımı için kullanılmaktadır ve artık günümüzde güç elektroniği alanında osilatörler olarak giderek önem kazanmaktadır. Farklı metalik malzemeler kullanılarak COMSOL programı ile deformasyon analizi bu çalışmada gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, bir mikro mekanik filtrenin parçası olarak tasarlanan bir yüzey mikro işlenmiş MEMS rezonatörü ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Geliştirilen model, uygulanan 100 V DC gerilim ile rezonatörün analizini gerçekleştirir. Mikro rezonatör içerisinden geçen akım, termal genleşme ile ısı enerjisini dağıtmaktadır. Bu genleşme, rezonatör içerisinden geçen akım ve yayılan sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. COMSOL yazılımı kullanılarak 400 ?m uzunluğunda ve 50 ?m kalınlığında dikdörtgen bir kiriş olarak tasarlanan rezonatör için polikristalin silikon, demir, alüminyum, gümüş ve altın malzeme ataması yapılarak gerekli analizler yapılmıştır. Giriş potansiyeli rezonatörün hava boşluğu merkezinden uygulanarak y ekseninde meydana gelen deformasyonlar ölçülmüştür. En yüksek deformasyon 0.062 µm ile alüminyum malzemede ortaya çıkarken; en düşük deformasyon 0.029 µm ile polikristalin silikon malzemede ölçülmüştür. Demir, gümüş ve altın malzemelerinde ise sırasıyla 0.030 µm, 0.052 µm ve 0.059 µm deformasyon verileri ölçülmüştür. Sonuç olarak, mikro rezonatör tasarımında kullanılan alüminyumun diğer metalik rezonatörler ile kıyaslandığı zaman önerilen geometri için önemli miktarda deformasyon verdiği gözlemlenmiştir.

Micro-Electro-Mechanical (MEMS) resonators have long been used for sensor design and are now becoming increasingly important as oscillators in the field of power electronics. Deformation analysis with COMSOL program using different metallic materials was carried out in this study. In this study, a surface micromachined MEMS resonator designed as part of a micromechanical filter is analyzed in detail. The developed model performs the analysis of the resonator with the applied 100 V DC voltage. The current passing through the microresonator dissipates heat energy by thermal expansion. This expansion depends on the current flowing through the resonator and the radiated temperature. Using the COMSOL software, the resonator was designed as a rectangular beam with a length of 400 ?m and a thickness of 50 ?m. By applying the input potential from the centre of the air gap of the resonator, the deformations in the y-axis were measured. The highest deformation occurred in aluminium material with 0.062 µm; the lowest deformation was measured in polycrystalline silicon material with 0.029 µm. The deformation data of iron, silver and gold materials were measured as 0.030 µm, 0.052 µm and 0.059 µm, respectively. As a result, it is observed that aluminium used in microresonator design gives a significant amount of deformation for the proposed geometry when compared with other metallic resonators.