Elektrostatik MEMS eyleyicilerin voltaj-konum fonksiyonunun analitik olarak modellenmesi ve yapay zeka teknikleriyle optimize edilmesi

Abstract

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte ortaya çıkan yeni cihaz ve ürünler insanların yaşantısında giderek daha fazla yer almaktadır. Günümüzde insanlar hem iletişim kurabilmek, hem de günlük hayatlarının gereksinimlerini daha pratik bir şekilde karşılayabilmek adına birçok teknolojik cihaza ihtiyaç duymaktadırlar. İlerleyen teknolojinin insan hayatına daha fazla müdahil olmasının sonucu olarak birçok alanda makinalar insanların yerini almış, insan gücü yerine makina kullanımı ve otomasyon giderek yaygınlaşmıştır. Bu güç değişimi bilim ve sanayi dünyasının hem daha ekonomik ve küçük boyutlu hem de daha işlevli cihazlar ortaya çıkarmaya odaklanmasını kaçınılmaz kılmıştır. Bugün gelinen noktada, yeni teknolojiye sahip cihazların çevresel değişkenleri otomatik algılayacak şekilde çok işlevli olmaları amaçlanmaktadır ve bunun yegane yolu bu cihazların sensörlerle donatılmasıdır. Günümüzde hem çevresel değişkenleri algılama hem de bu değişkenlere cevap verme bakımından ihtiyaç duyulan birçok elektromekanik sensörün üretiminde Mikro Elektromekanik Sistemler (MEMS) ve MEMS eyleyicilerden faydalanılmaktadır. Bu sebeple, gerek boyut avantajı gerekse üretim kolaylığı bakımından MEMS giderek daha fazla yaygınlaşmakta ve önem kazanmaktadır. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda bilim insanları MEMS eyleyicilerin mekanik hareketlerini tahmin edebilmek için birçok matematiksel model ortaya koymuştur. Fakat literatürdeki modellerin bir kısmı deneysel veriler ile karşılaştırıldığında yeterince hassas sonuçlar verememekte, diğer bir kısmı ise çok karmaşık hesaplama ifadeleri içerdiğinden pratik anlamda uygulanabilirliğini kaybetmektedir. Dolayısıyla hem hassas hem de hızlı sonuç veren ve hesaplanması daha kolay yeni bir matematiksel modele ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışma, hem eyleyici için daha hassas kontrol imkanı sunan hem de deneysel ölçümlere daha yakın sonuçlar veren yeni matematiksel ifadeler elde edebilmek amacıyla yapılmıştır. Öncelikle sonlu eleman metodunu(SEM) kullanan COMSOLTM programı yardımıyla MEMS eyleyiciler için benzetimler oluşturulmuştur. Elde edilen benzetim sonuçları kullanılarak, MATLABTM programı yardımıyla matematiksel modeller oluşturulmuştur. Nihai olarak bu modeller en iyi sonuçları verecek şekilde hem yapay zeka teknikleri ile optimize edilmiş hem de yapay sinir ağı ile modellenmiştir. Böylece hem gerçek ölçümlere daha yakın sonuçlar veren hem de hızlı ve kolay hesaplanabilen matematiksel formüller ile modeller literatüre ve pratik kullanıma sunulmuştur.

The new devices and products have emerged with the development of technology has taken place in daily life more and more. Nowadays, many technological devices have been used by people to be able to both communicate and meet their daily needs. As a result of advancing technology being more involved in the lives of people, the machines have replaced humans in many areas has become widespread by using machines instead of human power and automation. This shifting has inevitably made the world of science and industry focusing to produce both more economical, smaller and more functional devices. At this point on, it is intended to make these devices multi-functional for automatically detecting the environmental variables and the only way doing this is to equip these new technology devices with sensors. Today, in the manufacturing of the many electromechanical sensors, which are needed in respect to both detecting the environmental variables and reacting to them, it has been utilized Micro Electromechanical Systems (MEMS) and MEMS actuators. For this reason, MEMS have become more popular and widespread due to both the small dimensions and ease of fabrication. Several mathematical models have been published to predict the mechanical motion of the MEMS actuators. However, the results of the some published models are not agreed well with the experimental results, while some other models are comprised of the complex computational steps which are restraining their practical implementation. Therefore, it is needed to construct a new and simple mathematical model which is time and computationally efficient to predict experimental results accurately. This study aims to construct new models which provide controlling the actuators more precisely and give accurate results with respect to measurements. Firstly, MEMS actuators are simulated by using COMSOLTM software which is based on the finite element method (FEM). By taking into account the results of the simulations, mathematical models are developed by MATLABTM. Ultimately, derived mathematical expressions have been optimized both by artificial intelligence techniques and the artificial neural network model to give more accurate results. Thus, the mathematical formula and models that give more precise results in an easy and time efficient way are presented to literature and use of practical studies.