УДК 621.486 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО

УДК 621.486
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО МИКРОАКТЮАТОРА ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДА
ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
А.И. Белова
(Университет ИТМО, Санкт-Петербург)
Научный руководитель – Е.И. Яблочников, к.т.н., доцент
(Университет ИТМО, Санкт-Петербург)
В современном мире растет интерес к микроэлектромеханическим системам (МЭМС).
Это связано с тем, что такие системы могут обеспечить хорошие эксплуатационные свойства
при малых габаритах. Одним из ключевых элементов МЭМС являются актюаторы –
устройства, преобразующие один вид энергии в другой.
Для того чтобы такие системы были надежными, необходимо знать поведение
конструкции под нагрузкой и значения выходных параметров при заданной нагрузке (в
рабочем состоянии). Это позволит спрогнозировать условия, при которых может произойти
выход устройства из строя, и задать правильные входные параметры. На макроуровне
получение информации о поведении материалов при растяжении, сдвиге, кручении
реализуется с применением экспериментальных методов. На микро- и наноуровнях это
достаточно сложно, требуются дополнительные исследования, так как такие устройства
трудно закрепить и зафиксировать, не повредив их функциональные части.
В данной работе рассматривается конструкция теплового V-образного
электромеханического микроактюатора. Исследуемый тепловой микроактюатор преобразует
электрическую энергию в механическую и наоборот.
Целью данной работы является исследование
статических характеристик
микроактюатора с помощью метода конечно-элементного анализа и с применением
программного комплекса OOFELIE.
Микроактюатор состоит из подвижного стержня и закрепленных ножек. При подаче
разности потенциалов на алюминиевые проводники, имеющие с кремнием электрический
контакт, высокая плотность тока вызывает нагрев ножек по закону Джоуля-Ленца, в
результате нагрева происходит удлинение ножек и стержень приходит в движение.
Направление движения тепловых масс совпадает с направлением тока.
Для приложения разности потенциалов используются крайние точки ножек, к
которым подсоединены электроды, в результате чего ток течет по всей длине ножек.
В данном устройстве используется тензорезистивный эффект. Сущность
тензорезистивного эффекта заключается в изменении удельного электрического
сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их деформации.
Чувствительность материалов к деформации в определенном направлении характеризуется
деформационным коэффициентом электрического сопротивления материала. Проявление
тензорезистивного эффекта существенно зависит от вида деформации и температуры.
При линейной деформации образца изменяется не только его удельное
сопротивление, но и площадь поперечного сечения, длина и, соответственно, его
электрическое сопротивление.
В работе было проведено исследование зависимости величины перемещения ножки от
величины угла, под которым она наклонена к стержню. С увеличением величины угла
перемещение ножки постепенно уменьшается. При расчете данной зависимости были
приняты следующие значения параметров: длина ножки 300 мкм, высота и ширина ножки 10
мкм и 50 мкм соответственно.
Исследована зависимость величины перемещения ножки актюатора от ее ширины.
При данном расчете была задана величина угла 1º, высота ножки 10 мкм, длина – 300 мкм. С
увеличением площади поперечного сечения увеличивается величина перемещения.
Исследована зависимость величины перемещения ножек от температуры их нагрева.
С повышением температуры величина перемещения растет. При данном расчете была задана
величина угла 1º, высота ножки 10 мкм, длина – 300 мкм. При этом надо отметить, что с
изменением температуры изменяется величина удлинения ножки, исходя из закона
теплового расширения.
Исследована зависимость величины перемещения от длины ножки актюатора. С
увеличением длины перемещение плавно растет. В данном расчете величина угла была
принята за 1º. Высота и ширина ножки актюатора 10 мкм и 5 мкм соответственно. Также
отметим, что с изменением длины изменяется и величина удлинения ∆L.
В результате работы было проведено исследование характеристик теплового
микроактюатора при помощи численного моделирования в программном комплексе
OOFELIE. Численная электротермомеханическая модель
позволяет
установить
конструктивные параметры работоспособного актюатора с заданными выходными
характеристиками.