Dynamic characterization and modification of the modal properties of MEMS structures

Abstract

Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS), farklı disiplinlerde birçok uygulama alanı bulmuş ve en çok gelecek vaat eden teknolojiler arasında yerini almıştır. Bu sistemlerin performansı, büyük oranda dinamik özellikleriyle bağlantılıdır. Bu çalışma, bir MEMS aygıtının modal parametrelerini belirlemek için kullanılan dinamik karakterizasyon tekniklerini ve aygıtın dinamik tepkisini değiştirmek amacıyla uygulanabilecek metotları sunmaktadır. Geliştirilmiş yöntemleri göstermek için örnek durum çalışması olarak iki farklı mikro tarayıcı kullanılmıştır. Başlangıçta, deneysel modal analiz teknikleri kullanılarak, mikro tarayıcıların frekans tepki fonksiyonları, modal sönümlenme katsayıları, rezonans frekansları ve mod şekilleri saptanmıştır. Daha sonra, yapının sönümlenme özellikleri ve rezonans frekanslarını değiştirmek için tarayıcı sistemine hız ve pozisyon geri besleme döngüleri eklenmiştir.Deneysel ölçümleri doğrulamak amacıyla, kapalı sistem bir Simulink modeli geliştirildi. Tarayıcı sisteminin gerçeğe yakın bir temsilini elde etmek için, çeşitli eğri oturtma metotları kullanıldı. Bu modeli kullanarak, hem hız hem de pozisyon geri beslemelerinin, tarayıcıların efektif sönümlenmesine, rezonans frekanslarına ve geçici tepkilerine etkisi tetkik edildi. Hız geri beslemesi altında sistemin kararlılık limitleri sayısal benzetimlerle de ayrıca incelenmiştir.Deney ve benzetim sonuçlarına dayanarak, bu çalışmada geliştirilmiş olan yöntemin, MEMS yapılarının dinamik özelliklerini değiştirmede çok verimli olduğu kanıtlanmıştır ve diğer MEMS uygulamalarına da kolaylıkla aktarılabilir.

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have found many application areas in different disciplines and took their place among the most promising technologies. The performance of such systems is primarily related to their dynamical characteristics. This study presents the dynamic characterization techniques that are used to identify the modal parameters of a MEMS device and the methods that can be implemented to change its dynamic response. Two distinct microscanners were chosen as the case study to demonstrate the developed methodologies. Initially, the microscanners were characterized using experimental modal analysis techniques to obtain frequency response function, modal damping, resonance frequencies, and mode shapes. Then, velocity and position feedback control loops were introduced to the scanner system to alter the damping characteristics and the resonance frequencies of the structure.A closed-loop Simulink model of the scanners is developed to verify the experimental measurements. Several curve fitting methods are used in order to have an accurate representation of the scanner system. Using the model, the influence of both position and velocity feedback on the effective damping, resonance frequency and the transient behavior of the scanners is investigated. The stability limits of the scanners under velocity feedback are also studied via numerical simulations.Based on the experimental and simulation results, the methodology developed in this study proves itself to be very efficient to alter the dynamical characteristics of the MEMS structures and it can be easily adapted to other MEMS applications.