Robust Optimization of an Accelerometer Considering Fabrication Errors

Liu, Guang Jun; Jiang, Tao; Wang, An Lin

doi:10.4028/www.scientific.net/msf.628-629.353

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“…Liu, Jiang, and Wang (2009) performed a robust optimization considering both bandwidth and sensitivity of a similar device, and Desrochers, Pasini, and Angeles (2010) first optimized the shape of the hinges used in their bulk design and then performed a multiobjective size optimization aiming to maximize the sensitivity and minimize the ratio between the first and the second natural frequencies to reduce off-axis sensitivity. Mukherjee, Zhou, and Fedder (1999), Coultate et al (2008) and Engesser et al (2010) presented analytical models for a surface-micromachined accelerometer, by proposing optimized designs considering different requirements.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Structural design of high-performance capacitive accelerometers using parametric optimization with uncertainties

Teves

Lima

Passaro³

et al. 2016

Engineering Optimization

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Electrostatic or capacitive accelerometers are among the highest volume microelectromechanical systems (MEMS) products nowadays. The design of such devices is a complex task, since they depend on many performance requirements, which are often conflicting. Therefore, optimization techniques are often used in the design stage of these MEMS devices. Because of problems with reliability, the technology of MEMS is not yet well established. Thus, in this work, size optimization is combined with the reliability-based design optimization (RBDO) method to improve the performance of accelerometers. To account for uncertainties in the dimensions and material properties of these devices, the first order reliability method is applied to calculate the probabilities involved in the RBDO formulation. Practical examples of bulk-type capacitive accelerometer designs are presented and discussed to evaluate the potential of the implemented RBDO solver. ARTICLE HISTORY

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Structural design of high-performance capacitive accelerometers using parametric optimization with uncertainties

Teves

Lima

Passaro³

et al. 2016

Engineering Optimization

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“…In an engineering optimal design problem, design variables will have uncertainties from manufacturing clearance, uneven material properties, etc [1,2]. These uncertainties in design variables often move the nominal optimal design to the infeasible region so that it will violate some constraints as shown in Fig.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

A New Reliability Calculation Algorithm Based on Sensitivity Analysis and its Application to Reliability-Based Robust Global Optimization of Electromagnetic Device with Uncertain Design Variables

Ren

Zhang

Pham

et al. 2012

MSF

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A novel reliability calculation algorithm is developed and applied to a robust optimization of electromagnetic device with uncertain design variables taken into account. The proposed algorithm, to calculate the reliability of a given design, incorporates sensitivity analysis based on finite element method with Monte Carlo simulation (MCS) method so that it has higher numerical efficiency than conventional methods: MCS and first-order reliability methods. Through numerical examples, its applicability to a reliability-based robust optimal design of electromagnetic device is demonstrated.

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“…Alvarez et al (2009) buscou maximizar a largura de banda de um acelerômetro "bulk". Liu, Jiang e Wang (2009)…”

Section: Técnicas De Otimizaçãounclassified

Otimização de acelerômetros MEMS eletroestáticos de alto desempenho.

Teves¹

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Microssistemas eletromecânicos ou "Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)", representam uma classe de dispositivos que combinam funções mecânicas e eletrônicas em escala micrométrica. Através do uso de técnicas de microfabricação, adaptadas da indústria de semicondutores, é realizada a integração entre estruturas móveis, sensores, atuadores e eletrônica, tornando possível a implementação de sistemas completos miniaturizados. Acelerômetros eletrostáticos estão entre os dispositivos MEMS mais comercializados hoje em dia, com venda anual em todo o mundo superior a 100 milhões de unidades e crescente a cada ano. Eles são geralmente fabricados utilizando-se três lâminas de silício espessas, coladas uma sobre a outra. A camada intermediária é obtida por processos de corrosão e consiste de uma 'grande' massa de prova suspensa por uma ou mais vigas. Ela é separada das lâminas superior e inferior por um pequeno espaço vazio (gap), dando origem a dois conjuntos de capacitores de placas paralelas. A flexibilidade das vigas permite que a massa se mova proporcionalmente à aceleração externa e o seu deslocamento é estimado pela variação da capacitância do conjunto. O projeto destes sensores é uma tarefa complexa, já que os seus diversos requisitos de desempenho são, na maioria das vezes, conflitantes, isto é, se o projeto é modificado para melhorar uma característica, as demais são inevitavelmente afetadas e por isso técnicas de otimização devem ser utilizadas na etapa de projeto. Com o intuito de melhorar o desempenho de micro-acelerômetros capacitivos, são então propostas e avaliadas no atual trabalho duas técnicas de otimização distintas, sendo uma delas baseada em Otimização Paramétrica (OP) e a outra no Método da Otimização Topológica (MOT). A OP parte de uma topologia previamente definida e adota algumas de suas características geométricas como variáveis de projeto. Para levar em consideração incertezas nas dimensões e propriedades dos materiais, que é um elemento-chave na concepção e fabricação de dispositivos MEMS, neste trabalho a OP é combinada com o método da Otimização de Projeto Baseado em Confiabilidade ou "Reliability-based Design Optimization (RBDO)". Análises de confiabilidade de primeira ordem através do Método de Confiabilidade de Primeira Ordem, ou "First-Order Reliability Method (FORM)", são utilizadas para o cálculo das probabilidades envolvidas nesta formulação. Já o MOT combina o Método dos Elementos Finitos (MEF) e um modelo de material com algoritmos de otimização para encontrar a distribuição ótima de material em um domínio de projeto pré-estabelecido. As variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material em cada ponto do domínio. Na modelagem pelo MEF utiliza-se elementos de placa estrutural do tipo "Mixed Interpolation of Tensorial Components (MITC)". Exemplos práticos utilizando ambas as abordagens são apresentados e os seus resultados discutidos com o intuito de se avaliar o potencial de cada técnica para o projeto de micro-acelerômetros capacitivos.

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Robust Optimization of an Accelerometer Considering Fabrication Errors

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Structural design of high-performance capacitive accelerometers using parametric optimization with uncertainties

Structural design of high-performance capacitive accelerometers using parametric optimization with uncertainties

A New Reliability Calculation Algorithm Based on Sensitivity Analysis and its Application to Reliability-Based Robust Global Optimization of Electromagnetic Device with Uncertain Design Variables

Otimização de acelerômetros MEMS eletroestáticos de alto desempenho.

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