УДК 621.486 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО
реклама
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.
