Використання методу двобічних наближень для чисельного дослідження наноелектромеханічних систем під дією сили Казимира
Анотація
Актуальність. Розглянуто питання побудови методу двобічних наближень знаходження додатного розв’язку нелінійної крайової задачі, що моделює електростатичну наноелектромеханічну систему під дією зовнішнього тиску. Наведена математична модель враховує вплив сил Казимира як додаткову силу тяжіння між компонентами наносистем. Особливістю таких систем є нелінійне явище нестабільності відхиляння, яке виникає внаслідок взаємодії струмопровідних пластин під дією критичної електричної напруги. Це явище значно обмежує діапазон стійких станів системи та характерне для багатьох нанопристроїв, зокрема, акселерометрів, перемикачів, мікродзеркал та мікрорезонаторів тощо. Для дослідження стійких станів наноелектромеханічних систем запропоновано дослідити параметри моделі та отримати їх оцінки.
Мета. Користуючись методами теорії нелінійних операторів у напівупорядкованих банахових просторах розробити метод двобічних наближень розв’язання поставленої задачі.
Методи дослідження. Нелінійне еліптичне рівняння, що моделює роботу електростатичної наноелектромеханічної системи за допомогою методу функцій Гріна замінюється еквівалентним інтегральним рівнянням Гаммерштейна. Зазначене інтегральне рівняння розглядається як нелінійне операторне рівняння з монотонним оператором у просторі неперервних функцій, напівупорядкованому за допомогою конуса невід’ємних функцій. Отримано умови існування єдиного додатного розв’язку розглядуваної задачі та двобічної збіжності до нього послідовних наближень.
Результати. Розроблений метод програмно реалізовано та досліджено при розв’язанні тестових задач. Результати обчислювального експерименту наведено у вигляді графічної та табличної інформації.
Висновки. Проведені обчислювальні експерименти підтвердили ефективність розробленого метода і можуть бути використанні на практиці при розв’язання задач математичного моделювання нелінійних процесів у мікро- та наноелектромеханічних системах. Перспективи подальших досліджень можуть полягати у застосуванні методу двобічних наближень для моделей наноелектромеханічних системах з відштовхуючими силами Казимира.
Завантаження
Посилання
/Посилання
B. McLellan, L. Medina, C. Xu, Y. Yang “Critical pull-in curves of MEMS actuators in presence of Casimir force” ZAMM Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, vol. 96, no. 12, pp. 1406-1422, 2016.
J. A. Pelesko, D. H. Bernstein Modeling MEMS and NEMS, Cleveland: CRC Press, 2002. 351 p.
J. Davila, I. Flores, I. Guerra “Multiplicity of solutions for a fourth order equation with power-type nonlinearity” Mathematische Annalen, vol. 348, no. 1, pp. 143-193, 2010.
P. Esposito, N. Ghoussoub and Y. Guo Mathematical analysis of partial differential equations modeling electrostatic MEMS, Providence: American Mathematical Society, 2010. 262 p.
Z. Guo, J. Wei “On a fourth order nonlinear elliptic equation with negative exponent” SIAM journal on mathematical analysis, vol. 40, no. 5, pp. 2034-2054, 2008.
D. Ye, F. Zhou “On a general family of nonautonomous elliptic and parabolic equations” Calculus of Variations and Partial Differential Equations, vol. 37, pp. 259-274, 2010.
A. H. Nayfeh, M. I. Younis, E. M. Abdel-Rahman “Reduced-order models for MEMS applications” Nonlinear dynamics, vol. 41, no. 1, pp. 211-236, 2005.
M. V. Sidorov “Green-Rvachev’s quasi-function method for constructing two-sided approximations to positive solution of nonlinear boundary value problems”, Carpathian Mathematical Publications, vol. 10, no. 2, pp. 360-375, 2018.
R. C. Batra, M. Porfiri, D. Spinello “Effects of Casimir force on pull-in instability in micro-membranes” Europhysics Letters, vol. 77, no. 2, pp. 20010, 2007.
J. A. Pelesko “Mathematical modeling of electrostatic MEMS with tailored dielectric properties”, SIAM Journal on Applied Mathematics, vol. 62, no. 3, pp. 888-908, 2002.
Y. Guo, Z. Pan and M. J. Ward “Touchdown and pull-in voltage behavior of a MEMS device with varying dielectric properties”, SIAM Journal on Applied Mathematics, vol. 66, no. 1, pp. 309-338, 2005.
F. Lin and Y. Yang “Nonlinear non-local elliptic equation modeling electrostatic actuation”, Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 463, no. 2081, pp. 1323-1337, 2007.
Gusejnov K. Foton: uchebnoe posobie / pod redakciej professora B.S. Ishhanova. M.: “KDU”, “Universitetskaja kniga”, 2020. 276 p. [in Russian].
J. R. Beckham, J. A. Pelesko “An electrostatic-elastic membrane system with an external pressure”, Mathematical and computer modelling, vol. 54, no. 11-12, pp. 2686-2708, 2011.
Y. Guo, Y. Zhang and F. Zhou “Singular behavior of an electrostatic–elastic membrane system with an external pressure”, Nonlinear Analysis, vol. 190, pp. 111611, 2020.
V. I. Opojtsev, T. A. Khurodze Nonlinear Operators in Spaces with a Cone, Tbilisi, USSR: Izdatel’stvo Tbilisskogo Universiteta, 1984. 246 p. [in Russian].
M. A. Krasnosel’skij Positive Solutions of Operator Equations. M: Fizmatgiz, 1962. 394 p. [in Russian].
McLellan B., Medina L., Xu C., Yang Y. Critical pull-in curves of MEMS actuators in presence of Casimir force. ZAMM Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik. 2016. Vol. 96, № 12. P. 1406 1422.
Pelesko J. A., Bernstein D. H. Modeling MEMS and NEMS. Cleveland: CRC Press, 2002. 351 p.
Davila J., Flores I., Guerra I. Multiplicity of solutions for a fourth order equation with power-type nonlinearity. Mathematische Annalen. 2010. Vol. 348, № 1. P. 143–193.
Esposito P., Ghoussoub N., Guo Y. Mathematical analysis of partial differential equations modeling electrostatic MEMS. Providence: American Mathematical Society, 2010. 262 p.
Guo Z., Wei J. On a fourth order nonlinear elliptic equation with negative exponent. SIAM journal on mathematical analysis. 2008. Vol. 40, № 5. P. 2034–2054.
Ye D., Zhou F. On a general family of nonautonomous elliptic and parabolic equations. Calculus of Variations and Partial Differential Equations. 2010. Vol. 37. P. 259–274.
Nayfeh A. H., Younis M. I., Abdel-Rahman E. M. Reduced-order models for MEMS applications. Nonlinear dynamics. 2005. Vol. 41, № 1. P. 211–236.
Sidorov M. V. Green-Rvachev’s quasi-function method for constructing two-sided approximations to positive solution of nonlinear boundary value problems. Carpathian Mathematical Publications. 2018. Vol. 10, № 2. P. 360–375.
Batra R. C., Porfiri M., Spinello D. Effects of Casimir force on pull-in instability in micro-membranes. Europhysics Letters. 2007. Vol. 77, № 2. P. 20010.
Pelesko J. A. Mathematical modeling of electrostatic MEMS with tailored dielectric properties. SIAM Journal on Applied Mathematics. 2002. Vol. 62, № 3. P. 888–908.
Guo Y., Pan Z., Ward M. J. Touchdown and pull-in voltage behavior of a MEMS device with varying dielectric properties. SIAM Journal on Applied Mathematics. 2005. Vol. 66, № 1. P. 309–338.
Lin F., Yang Y. Nonlinear non-local elliptic equation modeling electrostatic actuation. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2007. Vol. 463, № 2081. P. 1323–1337.
Гусейнов К. Фотон: учебное пособие / под редакцией профессора Б.С. Ишханова. Москва: “КДУ”, “Университетская книга”, 2020. 276 с.
Beckham J. R., Pelesko J. A. An electrostatic-elastic membrane system with an external pressure. Mathematical and computer modelling. 2011. Vol. 54, №11–12. P. 2686–2708.
Guo Y., Zhang Y., Zhou F. Singular behavior of an electrostatic–elastic membrane system with an external pressure. Nonlinear Analysis. 2020. Vol. 190. P. 111611.
Опойцев В. И., Хуродзе Т. А. Нелинейные операторы в пространствах с конусом. Тбилиси: Изд-во Тбилис. ун-та, 1984. 246 с.
Красносельский М. А. Положительные решения операторных уравнений. Москва: Физматгиз, 1962. 394 с.