对热微型驱动器进行多物理分析

2019年3月8日

对于恒温器和MEMS等设备，小型，功能强大，高效的热致动器是一个不错的选择。这种类型的执行器通过施加的电压加热并变形，以使其“执行”另一个组件。热执行器涉及影响设备性能的紧密耦合的电气，热和结构现象。使用COMSOL®软件，您可以深入了解这些多物理交互并优化热执行器设计。

热执行器：具有较大冲击力的小型设备

热执行器，喜欢加热电路，通过焦耳加热，涉及几种影响：

电流流过执行器
材料对电流的阻力会产生热量
热量导致热膨胀，从而取代执行器并可以改变其电阻

与加热电路不同，变形是热致动器的预期效果，因为这就是能够功能的原因。

与其他类型的执行器相比，热致致激子提供了许多优势。例如，它们通常比梳理驱动器和其他静电执行器更有效，因为它们不需要高操作电压来工作。这使它们对于诸如恒温器和安全关闭途径之类的设备有用。此外，由于其小尺寸，热致动器是MEMS的一个不错选择。大力的产生；当然，能够将电能转换为微观的运动。

微卫星的照片，这是一个包括热微导驱器组件的设备的示例。
像这样的微卫星可以使用热微型驱动器进行主动热控制。Roykabanlit的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0，通过Wikimedia Commons。

热致动器的某些用途（在这种情况下，在这种情况下）包括：

启用微卫星的主动热控制
驾驶微龙（例如，作为扫描仪）
微流体系统中的微量
在医疗设备中提供精确的运动
控制RF可调过滤器

热致动器的设计通常比其他执行器更为复杂。它们通常必须考虑到预期的目的，因为热量必须足够高才能引起热膨胀，但不足以引起永久变形。使用多物理模拟，工程师可以分析用于现实世界使用的热执行器设计。让我们看一下使用该模型comsolMultiphysics®软件。（注意：该模型还需要MEMS模块或者结构力学模块）

使用COMSOL®软件在热微型驾驶器中建模焦耳加热

该示例由底物和微腔剂组成。显微驱动器有两个热臂。一只冷臂；每个手臂末端的锚点（固定到位）；以及能够沿着xy-飞机。对于大多数这些表面，使用热通量边界条件来表示对流如何从设备转移到周围的空气。如果需要，该模型可以包括辐射冷却，但是此示例中不包括这种效果。（在以前的博客文章中了解有关对热辐射建模的更多信息地下电缆和实用锅炉设计）

没有应用热通量边界条件的唯一区域是锚的酒窝和底部，它们都设置为底物的恒温（293.15 K）。至于电压，在中臂的锚点处施加5 V，而上臂则接地。

热微导驱器模型几何形状的图像。
三臂热驱动器的模型几何形状。

为了对电流，热产生和变形进行建模，您可以使用焦耳加热和热膨胀多物理接口。此功能会自动添加（和夫妻）三种物理的方程式，从而简单地模拟电压如何产生电流，从而产生热量。热量诱导热膨胀，如果执行执行器受到限制，则可能导致变形。

显微活性剂由多硅酸盐组成，多元素由于其与电子组件的易于整合而通常用于热微效应器。在现实世界中，随着电流流过材料并升高温度，它变得更加耐电。但是，为简单起见，该模型假设材料属性保持恒定（单向耦合）。如果您想将其转换为双向耦合，则只需要使用与温度依赖性电导率。

评估模拟结果

通过执行固定模拟，您可以根据设备的温度升高或可视化并找到最大的电流和电压来确定执行器中的位移量。您还可以计算三臂微型蒸馏器中达到的最高和最低温度，如下图所示。然后，您可以更改设计，以优化例如调整电压的预期用途的温度升高。此外，您可以修改几何形状，如下图所示，该几何形状比较了三臂微型驾驶员设计中的最高和最低温度与具有两个臂的版本。