Multiphysik-FEM-Simulation eines MEMS-Thermoaktuators mit EMS

Einführung:

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ermöglichen die Verkleinerung komplexer technischer Geräte im Mikrometerbereich für verschiedene Anwendungen: Mikropositionierung, Mikrobefestigung, Mikromanipulation usw. Mikrothermische Aktuatoren wandeln thermische Energie in Kraft und Bewegung um. Hier untersuchen wir einen Niederspannungs-Mikro-Thermoaktuator, der relativ große thermisch induzierte Auslenkungen entwickelt.

Abbildung 1 - Elektronenmikroskopische Aufnahme eines thermischen Aktors [1]

Problembeschreibung:

Der in dieser Studie analysierte U-förmige Aktuator besteht aus zwei parallelen Armen: dem kalten und dem heißen Arm. Sie sind auf der einen Seite mit dem Pad-Substrat und auf der anderen Seite miteinander verbunden, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Eine mit einer thermostrukturellen Analyse gekoppelte EMS-Simulation wird verwendet, um die mechanische Verschiebung des Mikrogeräts aufgrund des Temperaturexpansionseffekts zu berechnen.

Abbildung 2 - Die Grundkonstruktion des U-förmigen thermischen Stellantriebs.

Tabelle 1: Modellabmessungen [2]

Teil	Abmessung (µm)
Hot Armlänge	495
Heiße Armbreite	2
Kalte Armlänge	470
Kalte Armbreite	30
Waffentrennung	10
Breite der Verbindungsstange	10
Pad Länge	40
Pad Breite	30

Simulations-Setup:

Um die mechanische Verschiebung des untersuchten thermischen Aktuators zu berechnen und zu visualisieren, wird das Magnetostatic-Modul zusammen mit der stationären thermischen und strukturellen Analyse verwendet.

Der Simulationsaufbau besteht aus folgenden Schritten:

1. Wählen Sie ein geeignetes Material.
2. Definieren Sie die notwendigen elektromagnetischen Eingänge.
3. Definieren Sie die erforderlichen thermischen Eingänge.
4. Übernehmen Sie die strukturellen Randbedingungen.
5. Vernetzen Sie das gesamte Modell und führen Sie den Solver aus.

In unserer Fallstudie werden folgende Materialeigenschaften verwendet (Tabelle 2):

Tabelle 2: Materialeigenschaften von Polysilicium

Eigentum	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)	Wärmeleitfähigkeit (W/m. K)	Wärmeausdehnungskoeffizient (/K)	Elastizitätsmodul (GPa)	Poisson-Verhältnis
Polysilicium	43,5 E + 03	150	2.9 E-06	169	0,22

Der Mikroaktuator ist als feste Spule mit einer Spannung von 5 V definiert, wobei die heißarmverbundene Anschlussfläche als Eingangsanschluss dient. Die Anfangstemperatur, die auf beide verankerten Polster angewendet wird, beträgt 0 ° C. Die thermische Konvektion wird am Umgebungsluftkörper definiert, indem die Anfangstemperatur (Umgebungstemperatur) auf 273,15 K und der Konvektionskoeffizient auf 10 W/eingestellt werden. Auf beide Seiten der verankerten Pads wird eine strukturelle Randbedingung mit „festen“ Randbedingungen angewendet, wie in Abbildung 3 dargestellt:

Abbildung 3 - Angewandte mechanische Randbedingungen.

Abbildung 4 - Maschenmodell.

Ergebnisse:

Die endgültigen Simulationsergebnisse für die Wärmeverteilung sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Spannungsdifferenz zwischen den Pads bewirkt eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Armen und erreicht daher einen Maximalwert von 864 ° C in der kritischsten Zone des dünnen Arms.

Abbildung 5 - Temperaturverteilung über den Stellantrieb.

Die durch den Wärmeausdehnungseffekt verursachte mechanische Verschiebung erreicht 16,99 um. Der Antrieb bewegt sich hauptsächlich in dem Bereich, der die beiden Arme verbindet.

Abbildung 6 - Resultierende Verschiebungskurve.

Der Vergleich zwischen EMS und den Referenzergebnissen [2] für die Auslenkung des Stellglieds ist in Tabelle 3 zu finden.

Tabelle 3: Vergleichstabelle zwischen EMS und den Referenzergebnissen [2].

	EMS	Referenz [2]
Durchbiegung (µm)	16,99	17

Fazit:

Das EMS-Tool ermöglicht die Validierung und Vorhersage der Leistung der mikrobearbeiteten thermischen Aktuatoren. Es hat erfolgreich seine Fähigkeit evaluiert und validiert, eine große Auslenkung bei niedrigen Versorgungsspannungen zu erzeugen.

Verweise

[1].http://www.sfu.ca/adm/heatuator.html.

[2]. Hristov, Marin Hristov, et al. "Design and Investigation of a Thermal Actuator." PROCEEDINGS OF THE XVII INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND APPLIED SCIENCE CONFERENCE–ELECTRONICS ET 2008. 2008.