Modeling and finite element analysis of mechanical behavior of flexible MEMS components

Abstract

This paper describes the studies of the mechanical characteristics of flexible MEMS components including theoretical approaches, finite element analysis and experimental investigations. Modeling and finite element analyses together with theoretical and experimental investigations are performed to estimate the elastic behavior of MEMS components as microcantilevers, microbridges and micromembranes. Finite element analysis of microcomponents deflections under different loading and the stress distribution in beams are determined and compared with the experimental measurements performed using an atomic force microscope. The modeling of a micromembrane supported by four hinges that enable out-ofplane motion is presented. Finite element analysis and experimental investigations are performed to visualize the deflection of the mobile part of the micromembrane under an applied force and the stress distribution in hinges. In additional, this paper provides analytical relations to compute the stiffness and the stress of the investigated flexible MEMS components.

Numerical analysis of reaction forces at the supports of sliding microwire

“…The microstructures are used in different forms such as wire, cantilever beam, hinge, spring, spiral, gear, and other suspended structures; which either carry the load or have mechanical functions such as deflection, displacement, deformation, rotation and relative motion, etc. [3][4][5][6][7]. The different types of microwires are used in MEMS technology for sensing temperature, actuation of micro-actuators, sensors, and also in the medical field for orthodontic purposes [6,8].…”

Static response and stiction analysis of MEMS micromembranes for optical applications

“…Hinges are deformed in bending or torsion as a function of the applied force. Finite element analysis is a useful method to simulate the deflection of micromembrane, to compute their stiffness and to visualize the stress distribution in the micromembrane hinges [9].…”

Microválvulas destinadas ao controle do fluxo de líquidos em canais microfluídicos.

“…A rigidez elástica é o parâmetro que descreve a relação entre deformação (deslocamento) e força para cada material. A rigidez de um material varia com o inverso do comprimento e a frequência de ressonância do componente é proporcional à raiz quadrada da rigidez elástica [PUSTAN et al, 2011], implicando que altas frequências podem ser atingidas ao miniaturizar estruturas. As propriedades mecânicas destes componentes têm influência significativa na confiabilidade e desempenho dos dispositivos [SOBOYEJO et al, 2003].…”

“…As micropontes são definidas por possuírem condições de fronteira do tipo fixo-fixo (figura 38) [PUSTAN et al, 2007;PUSTAN et al, 2011], indicando que ambas as extremidades da viga não são livres para se mover em qualquer direção, diferente das micro-vigas-em-balanço, que são caracterizadas por condições de fronteira do tipo fixo-livre. O modelo matemático desenvolvido neste tópico foi adaptado da literatura neste trabalho, e as equações obtidas pelo autor estão indicadas com um asterisco (*).…”

“…Figura 38: Representação esquemática de uma microponte [PUSTAN et al, 2011] A figura 38 representa o modelo utilizado neste trabalho para estudar o comportamento elástico de uma microponte de comprimento l, largura w e espessura t. Neste modelo uma força Fz é aplicada na direção z, em algum ponto ao longo do comprimento da microponte. Sendo uz a deflexão da microponte, sua rigidez pode ser obtida a partir da equação:…”