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 Microactionneur thermique 11/03/2019 
 
Interface  Scripts Tcl 
Postprocesseur  Quickfield  Magnétostatique 
Thermique  Mécanique  Electronique 
Electrical  Modèles  Electrostatique 
Multiphysique 
 

( Ci-dessous , Bleu : information sans cliquer. Vert : lien interne. Orange : lien externe. )


Introduction

Modèle original sur le site de QuickField d'après l'étude originale issue de l'Université Technique de Sofia :
Design and investigation of a thermal actuator

microactuator : multiphysics simulation

Etapes de simulations.

microactuator : functionalities

Fonctionalités.

  1. Un courant électrique circule entre les plots V+ et GND générant une énergie thermique par effet Joule.
  2. Le microactionneur s'échauffe de façon dissymétrique avec une différence de température marquée entre les deux branches.
  3. Les contraintes mécaniques provoquent une déformation de l'ensemble autour des plots V+ et GND fixes.
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Données
Parametre Valeur
Length Units Microns
Lz
Model class Plane-parallel

Problèmes (données communes).


microactuator : data path

Cheminement des données.




  • Liens :
  • Le problème mems_thermal_dc.pbm importe le terme "generated heat" du problème mems_conduction_dc.pbm
  • Le problème mems_stress_dc.pbm importe le terme "temperature field" du problème mems_thermal_dc.pbm
  • DC Conduction :
  • conductivité silicium : 23e-6 Ω•m soit une conductivité de 43478 S/m
  • V+ : 5V
  • GND : 0V
  • Steady-State Heat Transfer :
  • conductivité thermique silicium : 150 W/K•m
  • Power of heat source ( voir ci-dessous )
  • Pertes thermiques par convection et radiation
  • Plots V+ et GND à une température de 0 °C
  • Stress Analysis :
  • Module d'Young silicium : 1.69e11 N/m²
  • Power of heat source ( voir ci-dessous )
  • Pertes thermiques par convection et radiation
  • Plots V+ et GND à une température de 0 °C
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Passage 3D --> 2D (description)

La représentation de QuickField en 2D est rapide, mais ne prend pas en compte les faces supérieure et inférieure du système.
On va pour cela prendre un volume de silicium de 20μ×20μ×1μ respectivement largeur×longueur×épaisseur et faire varier la puissance volumique à dissipée puis mesurer sur la face supérieure ("upper side") le flux thermique traversant cette surface.

Ce flux étant multiplié par deux ( face supérieure + face inférieure ) et divisé par le volume de silicium, on l'introduit alors dans la partie "volume power of the heat source" comme indiqué ci-contre. Le flux thermique des faces supérieure et inférieure est ainsi pris en compte.

microactuator : block definition

Propriétés thermique du bloc "arm" (silicium).

microactuator : thermal exchanges

Représentation des échanges thermiques.

microactuator : thermal power crossing horizontal sides

Courbe puissance volumique en fonction de T.

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Passage 3D --> 2D (calculs)

Le calcul proposé ci-dessus est réalisé avec LabelMover selon la procédure suivante :

  • Relever la puissance volumique dans le modèle sans correction.
  • Faire une variation de cette puissance afin d'obtenir une température moyenne comprise entre 0 °C et la température de fusion.
  • Faire un tableau selon le calcul ci-contre que l'on dispose dans le block "arm" dans une fonction Q(T)
  • N'oublier pas de contrôler les unités, par exemple LabelMover retourne des Kelvin même si le problème utilise les degrès centigrades, mais retourne également des μm³ si le problème est défini en microns, donc LabelMover ne retourne pas systèmatiquement des unités S.I.
microactuator : LabelMover calculations

Estimation avec LabelMover du flux thermique vertical.

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Résultats

La déformation finale est conforme aux calculs trouvés dans l'article cité en référence. Cependant QuickField™ permet d'aller plus loin.
L'amélioration automatique du maillage n'est pas posible ici car la géométrie est commune à tous les problèmes ( conduction, thermique et stress ). Pour s'intéresser à la partie la plus sollicitée, il faut imposer un maillage plus fin au niveau du rétrécissement de la branche +5V (voir figure ci-contre).
L'augmentation du nombre de noeuds (jusqu'à plusieurs millions) permet de découvrir que les critères de contraintes double alors que la déformation est inchangée. Il faudra donc améliorer les articulations, en particulier en évitant les angles droit.

modèle 8 000 noeuds. modèle 185 000 noeuds.
microactuator : stress simulation microactuator : stress simulation
Vue de dessus
microactuator : LabelMover calculations
microactuator : deformation due to thermal stress

Déformation thermique du micro-actionneur (MEMS).

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Fichiers et comparatif avec Ansys
  • Téléchargement :

Comparaison Ansys - QuickField
Grandeur Ansys QuickField
Tension (point 7) (V) 3.89 ∼3.89
Température max (°C) 835 848
Déplacement (points 8-9) (μm) 17-18 18-19

Comparaisons des résultats.


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Updated March 2019 | Copyright 2019 Ocsimize all rights reserved