Исследование характеристик теплового
advertisement
Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования А.И. Белова Санкт-Петербург, 2015 Содержание Мотивация Задачи исследования Описание реальных структур актюаторов Аналитические и численные методы моделирования и оптимизации Сравнение результатов аналитического и численного моделирования и экспериментальных результатов Выводы Перспективы Мотивация Основная задача: как спроектировать микро- или наносистему из разных материалов под разными нагрузками, чтобы она работала надежно! °C 125 0 -40 T Материалы: • Нанопроволоки; • Графен • Углеродные нанотрубки sin(t % Области интересов: •Механические свойства •Надежность 1. Meszmer, P.; Hiller, K.; Hartmann, S.; Shaporin, A.; May, D.; Rodriguez, R. D.; Arnold, J.; Schondelmaier, G.; Mehner, J.; Zahn, D. R., Numerical characterization and experimental verification of an in-plane MEMS-actuator with thin-film aluminum heater. Microsystem Technologies 2014, 20 (6), 1041-1050 Мотивация Open Engineering (Бельгия): Программный комплекс OOFELIE Би Питрон, Университет ИТМО (Санкт-Петербург): Моделирование и оптимизация Хемницкий технический университет (Германия): Производство, изготовление и измерение 1. Meszmer, P.; Hiller, K.; Hartmann, S.; Shaporin, A.; May, D.; Rodriguez, R. D.; Arnold, J.; Schondelmaier, G.; Mehner, J.; Zahn, D. R., Numerical characterization and experimental verification of an in-plane MEMS-actuator with thin-film aluminum heater. Microsystem Technologies 2014, 20 (6), 1041-1050 Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Задачи исследования: Изучить конструкцию микроактюатора Построить упрощенную теоретическую модель Построить численную модель микроактюатора Описать поведение конструкции микроатюатора под воздействием различных начальных условий Выявить оптимальные параметры конструкции микроактюатора Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Описание реальных структур актюаторов Что такое актюатор? Актюатор (составная часть МЭМС)– устройство, преобразующее энергию в управляемое движение Виды активации: Область применения: • • • • Электростатический Магнитный Пьезоэлектрический Тепловой • Робототехника • Биомедицина • Измерительные приборы • Космос • Управляющие устройства • Автомобилестроение Размеры микроактюаторов колеблются от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра ссылка http://www.micromachine.narod.ru/index.html Описание реальных структур актюаторов Что такое актюатор? • Актюатор изготовлен из кристаллического кремния. • Две пластины соединены методом анодного присоединения. • Верхняя пластина травится методом плазмохимического травления. 1. Meszmer, P.; Hiller, K.; Hartmann, S.; Shaporin, A.; May, D.; Rodriguez, R. D.; Arnold, J.; Schondelmaier, G.; Mehner, J.; Zahn, D. R., Numerical characterization and experimental verification of an in-plane MEMS-actuator with thin-film aluminum heater. Microsystem Technologies 2014, 20 (6), 1041-1050 Описание реальных структур актюаторов Что такое актюатор? Упрощенная модель микроактюатора L=10…550 µm δ =0,2…45° Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Аналитические и численные методы моделирования и оптимизации Построение теоретической модели: закон теплового расширения T=300…1000 K Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Аналитические и численные методы моделирования и оптимизации Построение теоретической модели: расчет перемещений торца шаттла в зависимости от параметров актюатора [1] Ограничения аналитической модели: •Без учета подложки •Без учета конвективного теплообмена с окружающей средой •Без учета изменения свойств материала Final Report: Compliant ThermoMechanical MEMS Actuators LDRDMichael S. Baker, Richard A. Plass, Thomas J. Headley, Jeremy A. Walraven Аналитические и численные методы моделирования и оптимизации Моделирование в OOFELIE: деформация узлов в результате нагрева Для моделирования в OOFELIE применен метод конечных элементов (МКЭ) Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Сравнение результатов аналитического и численного моделирования и экспериментальных результатов Результаты расчета: зависимость перемещения от температуры Перемещение, µm 10 1 Аналитический расчет при угле наклона 1° Аналитический расчет при угле наклона 10° 0,1 Численный расчет при угле наклона 1° Численный расчет при угле наклона 10° 0,01 0 500 1000 Температура, К 1500 Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Сравнение результатов аналитического и численного моделирования и экспериментальных результатов Результаты расчета: зависимость перемещения от длины балок Перемещение, µm 10 1 Аналитический расчет Численный расчет 0,1 0 100 200 300 Длина балки, µm 400 500 600 Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Сравнение результатов аналитического и численного моделирования и экспериментальных результатов Результаты расчета: зависимость перемещения от угла наклона балок Исследование характеристик теплового электромеханического микроактюатора с использованием методов численного моделирования Выводы Построена упрощенная теоретическая модель теплового электромеханического микроактюатора Проведено два вида моделирования: аналитическое и численное. Для упрощенной модели микроактюатора результаты аналитического и численного моделирования совпали Получены зависимости перемещения торца шаттла для разных параметров конструкции. Максимум перемещения используется для оптимизации конструкции Перспективы Усложнение модели, приближение к реальной Учет технологических потребностей Нагрев путем пропускания тока Учесть потери тепла через кремниевую подложку Учесть конвективный теплообмен Учесть потери на излучение в ИК диапазоне Проведение экспериментального исследования характеристик микроактюатора с оптимальной конструкцией Исследование динамических характеристик актюатора (время включения, собственные частоты) Спасибо за внимание! en.ifmo.ru alyonabelova@mail.ifmo.ru Санкт-Петербург, 2015
