Исследование характеристик теплового

реклама
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
Скачать