EMS Elektrothermomechanische Analyse von MEMS-Mikrogreifern

Einführung

MEMS-basierte Mikrogreifer bieten eine hervorragende Flexibilität und Anpassungsfähigkeit in Miniaturisierungsgeräten für verschiedene technische Anwendungen wie Mikromanipulationen, Mikrobaugruppen usw.

Die ansteuernden integrierten Mikrogreifer sind Gegenstand mehrerer multiphysikalischer Analysen. Mit solchen Analysen wird die mechanische Manipulation der Mikrogreifer bei geringem Stromverbrauch untersucht.

Der untersuchte Mikrogreifer (Abbildung 1) besteht aus zwei Greifspitzen, die an zwei U-förmigen Antrieben befestigt sind. Das Gerät dient zum Halten von Mikroobjekten, indem seine beiden Arme unter angelegter Gleichspannung abgelenkt werden.

Der untersuchte Mikrogreifer hält einen Ball zwischen seine beiden Spitzen [1]

Abbildung 1 - Der untersuchte Mikrogreifer hält eine Kugel zwischen seinen beiden Spitzen [1]

Problembeschreibung und Design

Die Leistung des Mikrogreifers wird mit dem EMS-Finite-Elemente-Tool modelliert, um seine Verschiebung und Temperaturverteilung abzuschätzen. Die schematische Darstellung und das 3D-Modell sind in Abbildung 2 dargestellt.

Schematische Darstellung des Mikrogreifers [1] a). 3D-Modell b).

Abbildung 2 - Schematische Darstellung des Mikrogreifers [1] a). 3D-Modell b).

Tabelle 1 - Modellabmessungen [1]

Parameter	Symbol	Wert (mm)
Länge des heißen Arms Breite des heißen Arms Dicke des heißen Arms	$L indice h$ $2 a indice h$ $2 b indice h$	4.5 0,21 0,21
Länge des Zwischenarms Breite des Zwischenarms Dicke des Zwischenarms	$L indice i$ $2 ein Index i$ $2 b indice i$	0,8 0,27 0,25
Länge des kalten Arms Breite des kalten Arms Dicke des kalten Arms	$L indice c$ $2 a indice c$ $2 b indice c$	3 0.9 0,63
Länge des Biegearms Breite des Biegearms Dicke des Biegearms	$L-Index f$ $2 ein Index f$ $2 b indice f$	1.5 0,35 0,3
Gesamtlänge	$L$	9
Anfangslücke	$G$	1

Simulations-Setup

Das Magnetostatic-Modul von EMS, gekoppelt mit der thermischen und strukturellen Analyse, dient zur Vorhersage und Bewertung des thermischen und mechanischen Verhaltens des Mikrogreifers.
Der Simulationsaufbau besteht aus den folgenden Schritten:

Wählen Sie das entsprechende Material.
Definieren Sie die notwendigen elektromagnetischen Eingänge.
Definieren Sie die erforderlichen thermischen Eingänge.
Übernehmen Sie die strukturellen Randbedingungen.
Vernetzen Sie das gesamte Modell und führen Sie den Solver aus.

Materialien

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

Tabelle 2 - Silber-Nickel-Verbundwerkstoffeigenschaften

Eigentum	Dichte (Kg/ $m au cube$ )	Elektrische Leitfähigkeit (S/m)	Wärmeleitfähigkeit (W/m. K)	Wärmeausdehnungskoeffizient (/K)	Elastizitätsmodul (GPa)	Poissons Verhältnis
Silber-Nickel-Komposit (Ag-Ni)	2370	31903	66,7	120 E-06	21.5	0,3

Elektromagnetische Eingänge

Jede verlängerte Spitze des Mikrogreifers ist als feste Spule mit einer Spannung von 1,54 V definiert, wobei die Eingangs-/Ausgangsöffnung in Abbildung 3 dargestellt ist:

Abbildung 3 - Eingang für angelegte Spannung

Thermische Eingänge

Die thermischen Randbedingungen von 27 ° C gelten für beide verankerten Polster. Der Luftkörper wird bei Umgebungstemperatur mit einer thermischen Konvektion mit einem auf 10 W/m²K eingestellten Koeffizienten beaufschlagt.

Strukturelle Randbedingungen

Feste Randbedingungen werden auf beide Seiten der verankerten Pads angewendet, wie in Abbildung 4 dargestellt:

Abbildung 4 - Feste Randbedingungen

Ineinander greifen

Das gesamte Modell ist in EMS mit einem fein gesteuerten Netz vernetzt (siehe Abbildung unten), um genauere Ergebnisse zu erzielen.

Abbildung 5 - Maschenmodell

Ergebnisse

Die Simulation ergab die folgenden Ergebnisse. Abbildung 6 zeigt die maximale Temperaturverteilung, die am heißen Arm bei einem Eingangsstromwert um 0,26 A auftritt.

Abbildung 6 - Temperaturverteilung

Für die mechanischen Verschiebungsergebnisse erreicht jede verlängerte Spitze eine maximale Auslenkung von 166 &mgr; m.

Abbildung 7 - Resultierende Verschiebungskurve

Für die gleiche angelegte Eingangsspannung zeigt Tabelle 3 den Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Ergebnissen, die mit der Referenz [1] und dem EMS-Tool angegeben wurden.

Tabelle 3 - Vergleichstabelle zwischen den Ergebnissen von EMS und Referenz [1]

Ergebnisse	Simulation [1]	Messung [1]	EMS
Max Gesamthubraum (μ m)	322	311	332
Maximale Temperatur ( ° C)	155	123	135

Fazit

Die Funktionen von EMS Multiphysics gewährleisten eine genaue Simulation von elektrisch angetriebenen Mikrogeräten. Im vorliegenden Beispiel bewirkt eine höhere Temperatur, die durch den Joule-Effekt verursacht wird, eine höhere Verschiebung im Mikrogreifer.

Verweise

[1]. Feng, Yao-Yun, et al. "Fabrication of an electro-thermal micro-gripper with elliptical cross-sections using silver-nickel composite ink." Sensors and Actuators A: Physical 245 (2016): 106-112.

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