Elektrothermomechanische Modellierung eines V-Strahl-Aktuators

Einführung

Geräte mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) können basierend auf der Betätigungsquelle in vier Haupttypen eingeteilt werden: elektrostatisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch und elektrothermisch.

Die elektrothermische Betätigung basiert auf der Wärmeausdehnung, die durch Joule-Erwärmung verursacht wird. Dies kann erreicht werden, indem Strom durch die Strahlen des Aktuators geleitet wird, um eine Widerstandserwärmung zu verursachen.

Elektrothermische Aktuatoren sind in vielen Anwendungen nützlich, in denen elektrische Eingaben in mechanische Ausgaben umgewandelt werden müssen, wie z. B. abstimmbare Parallelplattenkondensatoren, optische Modulatoren, HF-MEMS-Schalter und Mikromanipulatoren. Diese Aktuatoren zeichnen sich durch Kompaktheit, Stabilität und hohe Kraft aus, die bei niedriger Betätigungsspannung erzeugt werden.

Abbildung 1 - Elektrothermischer Stellantrieb [1].

Problembeschreibung

Eine magnetostatische Simulation, gekoppelt mit einer thermostrukturellen Analyse, wird durchgeführt, um das thermische und mechanische Verhalten des elektrothermischen V-Strahl-Aktuators zu untersuchen. Das untersuchte Modell besteht aus a mm Shuttle an 3 Trägerpaaren mit 26,4 mm Länge und 1 mm Breite für jeden Träger befestigt. Die Träger werden an 2 Ankern mit einer Breite von 6 mm und einer Länge von jeweils 30 mm befestigt.

Die Dicke des gesamten thermischen Aktuators entlang der Z-Achse beträgt 1 mm.

Abbildung 2 - a) Zeichnung des thermischen V-Strahl-Aktuators b) 3D-Modell des thermischen Aktuators.

Simulations-Setup

Das Magnetostatic-Modul von EMS dient in Verbindung mit der stationären Wärme- und Strukturanalyse zur Berechnung und Visualisierung der Temperaturverteilung und der Verschiebung des Shuttles.

Um die Analyse mit EMS durchzuführen, wird zunächst das geeignete Material für alle Feststoffe ausgewählt. zweitens werden die notwendigen elektromagnetischen Eingänge definiert; drittens werden die notwendigen thermischen Eingänge angelegt; Anschließend werden die strukturellen Randbedingungen angewendet und schließlich wird das gesamte Modell vernetzt und der Löser gestartet.

Materialien

In unserer Fallstudie werden die folgenden Materialeigenschaften verwendet (Tabelle 1):

Tabelle 1 - Materialeigenschaften.

Teil	Dichte (Kg/ )	Relative Durchlässigkeit	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)	Spezifische Wärmekapazität (J/kg, K)	Wärmeleitfähigkeit (W/m. K)	Elastizitätsmodul (Pa)	Poissons Verhältnis	Wärmeausdehnungskoeffizient (1/K)
Aluminium	2700	1	3,57 E + 07	910	235	71 E + 09	0,36	23.1 E-06
Luft	0	1	0	1000	0,024	Nicht benötigt

Elektromagnetische Eingänge:

Abbildung 3 - Angewandte Stromeingabe.

Wärmezufuhr:

Die thermische Konvektion für die Umgebungsluft wird wie folgt angegeben:

1. Die Anfangstemperatur (Umgebungstemperatur) der Simulation ist auf 303,15 K eingestellt.
2. Der Konvektionskoeffizient für die Umgebungsluft ist auf 15 W/m2K eingestellt.

Mechanische Randbedingungen:

Für beide Anker des thermischen Aktors gelten feste Randbedingungen, wie in Abbildung 4 dargestellt:

Abbildung 4 - Angewandte mechanische Randbedingungen.

Vernetzung:

Eine Netzsteuerung wird auf das Shuttle und die 6 Strahlen angewendet, bei denen die maximale Temperatur und Verschiebung erwartet wird (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5 - Mesh des Modells.

Ergebnisse

EMS bietet die Möglichkeit, Ergebnisse als 3D-Diagramme und -Kurven zu visualisieren. Diese Ergebnisse umfassen: angelegte Stromdichte, Temperatur- und Wärmestromverteilung, mechanische Verschiebung, Spannung usw.

Die Tabelle 2 zeigt den Gleichstromwiderstand des simulierten thermischen V-Strahl-Aktuators, wie er von EMS im Vergleich zum Analyseergebnis berechnet wurde.

Tabelle 2 - Widerstand des thermischen Aktuators im Vergleich zum analytischen Wert.

	EMS	Analytisch (Referenz)
Elektrischer Widerstand ( )	5.59 E-04	5,73 E-04

[1]


[1]

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I=40 A (Stromstärke)

Ra=4,96E-04 (Umgebungstemperaturbeständigkeit)

Ac=1553,6 m (Konvektionsbereich)

hc=15 W/ .K (konvektiver Wärmedurchgangskoeffizient)

k=3,9,10-3 1/° C (Temperaturkoeffizient)

Abbildung 6 - Auftragung der angelegten Stromdichte.

Die Abbildung 6 zeigt die Stromdichteverteilung im thermischen V-Strahl-Aktuator.

Abbildung 7 - Diagramm der Temperaturverteilung.

Die Abbildung 7 zeigt die Temperaturverteilung im V-Strahl-Wärmeaktor, der einen Maximalwert von 63,8 ° C erreicht.

Abbildung 8 - Auftragung der Y-Verschiebung.

Die maximale Temperatur von 63,8 ° C befindet sich auf den Strahlen aufgrund der aktuellen Konzentration an dieser Stelle. Für die Verschiebung erfährt das Shuttle die maximale mechanische Auslenkung von 0,163 mm entlang der Y-Achse.

Tabelle 3 zeigt die Korrelation der Temperatur und der Verschiebung zwischen EMS und der Referenz.

Tabelle 3: Vergleichstabelle zwischen EMS und der Referenz [1].

Fazit

Diese Simulation ermöglichte eine genaue Untersuchung des thermischen und mechanischen Verhaltens des Stellglieds beim Durchleiten von elektrischem Strom. Tatsächlich sind die Mikroaktuatoren Vorrichtungen, die Energie in Handlung umwandeln und Mikrobewegungen erzeugen können. Die Mikrobewegung wird zum Positionieren von Elementen in MEMS verwendet.

Die numerischen Simulationsergebnisse, die mit der EMS-Simulationssoftware für das Verhalten des elektrothermischen V-Strahl-Aktuators erzielt wurden, stimmen gut mit der Referenz überein [1].

Verweise

[1]. Radu-Stefan Chiorean, “Electro-Thermo-Mechanical Modeling of V-beam Actuator”,8th international conference interdisciplinarity in engineering INTER-ENG 2014,9-10 october 2014, Tirgu-Mures, Romania.