Geri Dön

Frequency-selective remote actuation via continuous beam spans

Sürekli kiriş dizileri yardımıyla frekans-seçici uzaktan tahrik

PDF İndir

  1. Tez No: 496339
  2. Yazar: JABER SALAMAT
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 155

Özet

Mikro/Nano-Elekro-Mekanik Sistemler (MEMS/NEMS) micrometre ve nanometre ölçeğinde karmaşık yapılar, cihazlar ve sistemler üretmek için kullanılır. MEMS/NEMS alanında, farklı iletim mekanizmaları gerçek-dünya sinyallerinin bir enerji formundan diğerine dönüştürülmesi için kullanılmaktadır. Bu nedenle, hızla yaygınlaşan MEMS/NEMS pazarında mikro-eyleyici, mikeo-sensör ve mikro-yapıların geliştirilmesine yönelik değişik teknik, yaklaşım ve mekanizmaların çalışılması önem arzetmektedir. Anılan bu temel amaca yönelik olarak bu proje önerisi'nde, seri ve sürekli bağlanmiş ankastre çoklu kirişlerin mikro/nano-metre ölçülerde üretilerek, harmonik mekanik titreşim enerjisinin sözü edilen kiriş hattı üzerinde Katıda İlerleyen Elastik Dalga (Elastic Waves in Solids) oluşturulması ile iletilmesini, ve mekanik tahriki istenilen kiriş bölümünün ise girişte uygulanan zorlanmış titreşim frekansının ilgili kirişin rezonans (çınlama) frekansında uygulanması ile tahriki çalışılacaktır. Böylelikle mekanik enerjinin mikro/nano-metre ebatlı sürekli katı kiriş yapıları içerisinden uzak pul (wafer) konumlarına iletilmesi ve frekans-esasına bağlı seçicilik ile de istenilen belirli bir kirişin adreslenmesı bu çalışmanın özgün yanını oluşturmaktadır. Önerilen bu yaklaşım aslen alanında bir ilk olup, ilerleyen dönemlerde MEMS/NEMS-esaslı cihazlarda Frekans-Seçici Mekanik Dalgakılavuzu olarak kullanılabilecektir. Ayrıca bu alanda dünyada Mekanik Dalgakılavuzu gerçeklemesini de ilk olarak burada bu vesile ile bilimsel literatüre kazandırma yolunda ilk adımı atmış olıyoruz, bu da bu çalışmanın bir diğer yenilik yönüdür. Bu tez çalışmasında özgün yöntem üzerinden süre ve bütce sınırları nedeniyle sadece uzaktan mekanik tahrik üzerinde durulacaktır. Uzaktan mekanik tahrik yaklaşımı olarak önerilen bu yeni teknik yukarıda belirtilen temel yaklaşım ve teknoloji doğurma özgünlükleri dışında, silisyum pullar üzerine imal edilen çok sayıda MEMS/NEMS sistem ve cihazların gerekli tüm mekanik hareketlerinin bir tek kaynaktan sağlanmasını, böylelikle de çok konumda elektriksel temas pedlerinin üretim ihtiyacını ortadan kaldırarak cihaz geometrilerinin basitleştirilmesini, boylelikle cihaz malıyetlerinin düşürülmesi ile, elektrıksel bağlantı problemlerini minimize ederk bugüne kadar tek katmanda monolitik mikrofabrikasyonu mümkün olmayan özellikle iki-boyutlu matris forma sahip tekrarlanan cihazların gerçekleştirilmesini imkanlı hale getirecekti Önerilen mekanik dalgakılavuzları, uzaktan mekanik tahrik amacıyla mikroelektronik ve MEMS/NEMS sistem teknolojilerinin en yaygın temel alt-tabaka malzemesi olan tek kristalli sillisyum (Single-Crystalline Silicon, SCS) esaslı Silisyum-Üzerinde-Yalıtkan (Silicon-On-Insulator, SOI) üzerinde gerçekleştirilecektir. SCS mükemmel makanik özellikleri ile standart mikrofabrikasyon yöntemlerine sahip olunması nedeniyle önerilen bu çalışmada hareketi ilk olarak gömülü tek-katmanlı elektrostatik eyleyiciler yardımıyla düzlemsel kuvvetler yaratılarak sağlanacaktır. Bu tez projesı kapsamında, çoklu kirişlerin mekanik dalgakılavuzu olarak enerji iletimi sonucunda rezonans frekansında istenen kirişin mekanik tahriğinin pul yüzeyi esas alındığında düzlem-içi veya düzlem-dışı hareketin her ikisinden istenen birisi kullanılarak çoklu-boyutta çalışılması mümkündür. Ancak çalışmada gerçekleştirilecek megahertz (MHz) mertebelerinde olacağı ön-hesaplarla belirlenen mekanik kiriş hareketlerinin ölçülerek gerçek-zamanlı karakterizasyonları gerekeceğinden bu amaca yönelik optik hareket gömülü sensörlerin entegrasyonu, bu iki hareketten nihai olarak birinin cihaz imal edilebilirliği ve karakterize edilebilirlikleri anlamında kısıtlanacağını proje ekibi olarak öngörmekteyiz. Bu nedenle, frekans-seçici uzaktan tahrik amaçlı yeni bir harmonik titreşim transdüsernin tasarımı ve fabrikasyonu yapıldı (gerçekleştirildi). Bu tasarım ile ilgili olarak, kaynak kirişimde oluşturulan harmonik titreşımler, hedef kirişin doğal frekansıyla örtüştürüldüğünde (denk getirildiğınde), bu titreşim kuvveti üç span sürekli kiriş dizilerinde electrostatik kuvvet harmoik dalgalara dönüşecektir ( Elastic Wave in Solid). Sonra, hedef kiriş, kendi doğal frekansında titreştirilen kaynak kirişden gelen titreşim dalgalarını absorbe ederek, kaynak kirişte çok daha büyük genliklerde salınım gerçekleştirecektir. Buna ek olarak, bu teknikile mekanik enerjinin uzak noktalara veya uzak kiriş dizilerine iletimi, kaynak kirişin, hedef kirişin doğal frekansında zorlanmış titreşime maruz bırakılmasıyla sağlanacaktır. Bu yeni teknik özgün ve ilk kez bu tezde gerçekleştirilecektir. MEMS/NEMS alanında, çok sıkça karşılaşılan elektrosatik yapişma (pull-in) büyük bir problemdir. Araştırmacılar bu problemi çozmek için çok karmaşık matematiksel pronlemleri hesaplamaları gerekmektedir. Bundandolayı, ilk kez bu mekanizma ile MEMS/NEMS alanındaki bu yapışma (pull-in) problemi ortadan kaldırılacaktır. Önerilen bu çalışmanın sonuçları, endüstriyel ve medikal sektörde gaz algılama ve uyarı sistemleri, enerjı toplama ve depolama sistemleri (energy harvesting), kütle sensörleri, veri depolama cihazları, mekanik ve elektrostatik filtreler, yüksek hassasiyetli ivme ölçerler, biyolojik algılayıcılar, akustik sinyal spektrometreleri gibi birçok alanda geliştirilecek algılama ve mekanik tahrik (eyleme) cihaz ve uygulamalarına esas teşkil etme potansiyeline sahiptir. Bu çalışmada üç dizili (three span) kirişte elastik dalga hareketi çalışılmiş ve ikinci kirişin (passage beam) uzunluğundaki değişimin etkileri hedef kirişin harmonik analizi ile incelenecektir. Ek olarak ikinci kirişin (passage beam) uzunluk değişimi ile hedef kirişin (target beam) çokme değerleri arasında düzenli bir ilişki sağlanarak uzaktan tahrik veya frekans seçıcı sistemgibi mikro/nano ölçekli yapılarda uygulama alanı oluşturulacaktır. Daha sonra, hedef kirişteki deformasyonlara kaynak ve hedef kiriş arasındaki mesafenin ve klemp (clamp) noktaların getirdiği etkiler incelenecektir. Mikro/Nano ebatlı kirişlerin kullanımı, yüksek frekanslarda çalışabiliyor olamarından elastik dalga iletimini artacaktır. Ayrıca, üç dizi sürekli kirişlerin fabrikasyonu, en yaygın temel alt-tabak malzemesi olan tek kristalli silisyum (single-crystalline silicon, SOI) esaslı silisyum-üzerinde-yalıtkan (Silicon-On_Insulator) silisyum pul (wafer) üzerinde gerçekleşetirilecektir. Sistemin karakterizasyonu, yakın veya uzak kirişlerin tahrikleri yaiçin farklı koşullarda geniş uygulama alanları ile düzlem içi (in-plane) ve duzlem dışı (out of plane) hareketler mümkündür. Bu sistem, harmonik olarak uygulanan elektrostatik kuvvet ile karakterize edilip ve bu hareketler, optik mikroskop veya Taramalı Electron Mikroskobla (SEM)'de incelenecektir. Tezin birinci bölümünde, çalışmanın amacı, kapsamı ve çozüm adımlarının kıssabir bilgi verilmiş ve literatür çalışması kapsamında mikro-elektro-mekanik sistemler (MEMS), mikro/nano boyutta titreşim , yüzey akustik dalgalar (SAW), mikro ve nano yapılarda hareket ve dalga yayılımı gibi konularda daha önce yapılmış çalışmalara değinilmiştir. Ikinci bölümünde, ilk olarak tek ve çok serbestlik dereceli sistemler için hareket denklemleri tanımlanmış ve üç dizili sürekli kirişin ( continuous three span) doğal frekansı ve eğilme titreşiminin hesaplaması için gerekli analitik formülasyonu türetimi gösterilmiştir. Doğal frekansın hesaplamasında kullanılan β_n l sdeğerleri, farklı sınır koşulu ve farklı burulma yay sertlik değerleri icin listelenmiştir. Üçüncü bölümde, kısaca Sonlu Elemanlar Metot (FEM) 'undan bahsedilmiş ve sonra Sonlu Elemanlar Analızınde (FEA) kullanılan bazı eleman tiplerine kıssaca bir giriş yapılmıştır. Ardından, Sürekli üç span kirişler ile dalga yayılımının modellenmesi ANSYS yazılımı modal ve harmonik analiz modülleri yöntemleri ile tartışılmıştır. Modal analiz ile geçiş kirişin farklı uzunlukta olan sistemin doğal frekansları hesaplamak için yapılmıştır. Daha sonra, analitik'ten ve numerik'ten hesaplanan doğal frekanslar karşılaştırılmıştır. Ek olarak, sürekli üç dizili sistemde elektrostatik kuvvetin hesabı ve sistemde uygulamaları bahsedilmiştir ve kaynak kirişte statik sapma formüle edilmiştir ve sonuçlar sayısal sapma analizi ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, mesh boyutu ve kalitesi burada frekans analizi ve harmonik analizi için gösterilmektedir. Sürekli üç span kirişler arasındaki dalga yayılımı modelinin modal analizi ve sönümlü ve sönümsüz durumdaki harmonik analizleri çalişilmiştir. Ayrıca analitik ve numerik olarak elde edilen doğal frekans değerlerinin karşılaştırılması tartışılmıştır. Dördüncü bölümde, üç dizili (three span) sürekli kiriş mekanizmasının mikro fabrikasyonu için, wafer temizleme ile başlayan ilk adımdan silisyomdioxi (〖SiO〗_2)'in kazınarak cihazdan kaldırılması için kullanılan Hidroflorik asit (HF) ile buharlı kazıma ile tamamlanan son adıma kadarki tüm prosesler açıklanmıştır. Cihazlarin optik karakterizasyonunda, ayarlanabilir solid-state lazer kullanılmış. Analitik ve numerik sonuçlarin, deneyesel sonuçlar ile uyumunu incelemek üzere, üretilen cihazın karaktrızasyonu yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Beşinci ve son bölümde ise, elde edilen veriler değerlendirilmiş ve bu yeni mekanizmanın MEMS/NEMS dünyasındaki uygulamaları tartışılmiştir.

Özet (Çeviri)

Micro-electro-mechanical system (MEMS) and Nano-electro-mechanical system (NEMS) technologies are used to produce complex structures, devices and systems on the scale of micrometers and nanometers. In MEMS/NEMS world of science, a variety of conduction mechanisms can be used to convert real-world signals from one form of energy to another. Hence providing different types of micro actuators, micro sensors and micro structures with different mechanisms will be necessary for the fast growing MEMS/NEMS technology[1]–[4]. Therefore, design, fabrication and characterization of continuous multispan micro/nano scale beams are analyzed and implemented to show the remote actuation of novel harmonically vibrational transducers. With regard to this design, utilization of harmonic vibrational force from source span in the remote span's (target beam) natural frequency carried out and the electrostaic harmonic energy converted to mechanical elastic waves in continuously multi-span beams. After, source beam are harmonically vibrated at target beam's natural frequency and then, target beam will be absorb generated elastic waves via source beam. As a result, deflection of target beam will be more greater than source beam. In addition, mechanic energy (elastic waves is solid) can be transmitted to remote spans far from source span by this technique and actuation of target span is possible by selection of target span's natural frequency in harmonically vibration of source span. This unique technique is specific and will be carried out in this thesis for the first time. Since, in MEMS/NEMS systems, the phenomenon of pull-in has been continuing with big problem and the researchers must calculate many mathematical problems to avoid confrontation of their system from pull-in effect in actuation by electrostatic force. This mechanism will overcome the pull-in phenomenan for the first time in MEMS/NEMS resonator devices. Also, this technique can be used as a base mechanism for diverse MEMS/NEMS systems in detection and actuation approaches both in industry and medical applications such as gas sensing in alarm systems, energy harvesting systems, mass detection sensors for biological application, data storage devices, high sensitivity accelerometers, transducers and virus detection sensor devices[3]–[29]. In this study, elastic wave propagation through three-span continuous beams are studied and the effect of second span (passage beam) length changes through harmonic analysis responses on target beam investigated. In addition, creating fields of application in micro/nano-scale structures, such as remote drive and selective resonance are considered by achieving the regular relationship between deflection on target beam values and passage beam length changes. Then, deflections on target beam are analyzed for various distances between source beam and target beam and width changes on clamping parts are analyzed comprehensively. Use of micro/nano-scale beams increases the efficiency of elastic wave propagation at oscillations with high-frequency vibrations. Furthermore, the three span contiuous beams are fabricated on single crystal Silicon-On-Insulator (SOI) wafers. Harmonically vibration of any beam in the system can be both in-plane and out-of-plane motion according to their distinctive natural frequencies. The three span continuous beams will be characterized by harmonically electrostatic force and the motions in desired beam will be seen via optical directional couplers (ODCs) under Near Infrared (NIR)-sensitive Indium Gallium Arsenide (InGaAs) camera. Optical microscope will be used to characterize the system in lower frequencies. In the first chapter of the thesis, brief information on the aim, scope and solution steps of the study is given and previous studies associated with the thesis topic such as Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), micro/nano-scale resonators, Surface Acoustic Wave (SAW) sensors, motion and wave propagation of micro and macro devices are referred under the scope of literature study. In the second chapter, vibration of discrete systems such as single degree-of-freedom (DOF) system with free and forced vibration are introduced and a brief explanation about multidegree-of-freedom systems are proposed. Then, transverse vibration of thin beams are presented with focus on Euler-Bernoulli theory to formulate the equation of motion of vibrational beam using generalized Hamilton's principle. Also, the characteristic frequency equation formulation are presented on three span continuous beams and the method of solution to this type of problems are discussed. At last, the natural frequency and mode shape functions for double span beams are calculated in detail and the values of system with mode shapes are illustrated. In the third chapter, a brief description about wave propagation and finite element method are proposed and the variety of element types are illustrated. Then, modeling of wave propagatin through continuous three span beams are discussed with methods of modal and harmonic analysis modules in Ansys software. Modal analysis is done to calculate the natural frequencies of system with different length of passage beam and the comparision with analytical natural frequencies are discussed. In addition, electrostatic force to vibrate the system are briefly shown and the static deflection on source beam is formulated and the results are compared with numerical deflection analysis. Moreover, the mesh size effect and quality of meshing for ferquency analysis and harmonic analysis are shown. After, by changing the passage beam length the deflection of target beam are simulated and the results are shown a harmonic behavior in specific length intervals for different passage length. At last, the effect of viscous damping is discussed and formulated for this type of problem. In the fourth chapter, a description about fabrication of devices from wafer cleaning in the first step to silicon dioxide etching for device release in the last step are entirely explained. Optical directional couplers are described and characterization of system are throughly demonstrated. In addition, numerical sensor design for two types of systems are illustrated. At last but not least, the experimental optical results are achieved in wide frequency range and figured out to compare with numerical analysis. In the fifth chapter, obtained data are evaluated and the proposed novel mechanism in the world of MEMS/NEMS applications in the future are mentioned.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    14353

    Etkin modem haberleşmesi sağlayan nesneye dayalı bir yazılım tasarımı

    Design of an object oriented software for efficient modem communications

    FEZA BUZLUCA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1991

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. EMRE HARMANCI

  2. Tez No

    39294

    GSM transmisyon donanımları gözetim ve denetim arayüzü

    Supervision of the base station subsystem transmission equipments on the GSM

    NEVİN BASIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. EMRE HARMANCI

  3. Tez No

    201267

    IEEE 802.15.4 standardına uyumlu RF haberleşme uygulaması

    RF telecommunication application in compliance with IEEE 802.15.4 standart

    SÖNMEZ İSAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÜNAL KÜÇÜK

  4. Tez No

    691002

    Eğri kanallarda konvansiyonel iğne irrigasyonu, irriflex, endoactivator ve EDDY kullanımında apikalden debris taşma miktarının karşılaştırmalı olarak in vitro değerlendirilmesi

    Comparative evaluation of the amount of debris extruded apically using conventional needle irrigation, irriflex, endoactivator and EDDY in curved canals: An in vitro study

    AYŞE SELİN SÖNMEZ

    Diş Hekimliği Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Diş HekimliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Endodonti Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DAVUT ÇELİK

  5. Tez No

    507149

    Expression profiling of Helicobacter-activated regulatory B cells

    Helicobacter-aktive regülatör B hücrelerinde gen ifadesinin belirlenmesi

    SAWSAN S.A. SAID

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Allerji ve İmmünolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYÇA SAYI YAZGAN

Geri Dön