基于MEMS工艺的电热致动器研究进展

基于MEMS工艺的电热致动器具有与集成电路兼容的驱动电压、大的致动位移和致动力,比静电致动器、压电致动器和磁致动器有更大的优势,是现阶段致动方式的研究热点。高精度、高可靠度、可控和稳定性好的电热致动器是未来研究的新方向。针对MEMS微加工工艺制作的固体材料电热致动器,综述了电热致动器的结构形式、典型应用、模型建立以及测试方法的研究现状和主要研究成果。对电热致动器的结构设计、建模分析和测试技术方面的关键技术和存在的主要问题进行了分析和展望,以期为基于MEMS工艺的电热致动器的设计、分析和测试提供借鉴和参考。

交流电作用下电热致动器的热疲劳失效机理研究

针对电热致动器在交流电作用下承受交变温度载荷而发生热疲劳失效的现象,分析热疲劳失效机理。建立电热致动器的瞬态温度分析模型和力学模型,实测致动位移,实测位移与理论计算、有限元仿真结果一致。温度和应力计算表明,结构形式和施加的电压直接影响致动器的温度分布和应力大小,因最大应力小于屈服强度极限而不会发生应力引起的疲劳失效。测试交流电作用下致动位移和循环次数的关系,试验结果和理论计算表明,温度低于脆性-韧性转换温度,电热致动器不发生热疲劳失效,否则在长期循环后会发生热疲劳失效。300～600℃的温度对电热致动器的工作最有利,在此温度范围内能够精确稳定地提供数千万次的致动循环。根据失效现象,分析热疲劳失效机理,得出高温变形是引发热疲劳失效的直接原因,交流电压的幅值和频率对热疲劳的作用都能统一到温度上。

基于MEMS工艺的电热致动器研究进展

MEMS工艺的电热致动器具有与集成电路兼容的驱动电压,大的致动位移和致动力,比静电致动器、压电致动器和磁致动器具有更大的优势,是现阶段致动方式的研究热点,其中,高精度、高可靠度、可控和稳定性好的电热致动器是未来研究的新方向.文章基于MEMS微加工工艺制作的固体材料电热致动器,综述了电热致动器在结构形式、典型应用、模型建立以及测试方法的国内外研究现状和成果,对电热致动器的结构设计、建模分析和测试技术方面的关键技术和存在的主要问题进行了分析和展望,以期为MEMS工艺的电热致动器的设计、分析和测试提供借鉴和参考.

斜梁型电热微致动器的输出位移计算及实验

为了计算斜梁型电热微致动器的输出位移,基于电-热分析和热平衡原理建立了电热微致动器的电热耦合稳态传热方程。对热-结构进行了分析,运用力法原理建立了微致动器的位移计算模型。然后,用有限元法和实际测试对比验证了温度分布和输出位移的理论值,得到了一致性很好的结果。最后,分析了微致动器输出位移的保持性和重复性,以及结构参数和工艺对微致动器输出位移的影响。分析表明:斜梁的长宽比和倾角是影响微致动器输出位移的主要参数,工艺对输出位移有影响。实验结果表明:9V和18V电压下,微致动器的最大位移分别为0.85μm和2.3μm,与理论计算结果相对误差为2.2%和12.8%,实测值与理论值误差较小,表明本文推导的斜梁型电热微致动器的输出位移计算公式合理,能够为该类微致动器的设计和计算提供理论依据。

基于BP神经网络的U型电热微致动器仿真分析

以BP神经网络、随机有限元法为基础,对U型电热微致动器进行了仿真分析.首先利用有限元分析软件ANSYS对U型电热微致动器进行有限元分析得到具体结构尺寸对微致动器最大位移的影响,然后通过建立的BP神经网络来拟合响应与输入之间的关系,根据蒙特卡罗模拟原理获得足够多的样本值对训练后的网络进行误差分析,结果证明本文提出的分析方法是可行有效的.

基于神经网络的电热式微致动器随机有限元分析

提出了基于神经网络的随机有限元分析方法,首先利用有限元法对U型电热式微致动器进行理论分析,得出具体结构尺寸对微致动器最大位移的影响,然后通过建立的神经网络来拟合响应与输入之间的关系,根据蒙特卡罗模拟原理获得足够多的样本值对训练后的网络进行误差分析,结果证明,本文提出的分析方法是可行有效的。

基于柔性铰链支承的热驱动硅微机械手的力学模型及性能分析

微机械手是一种典型的微型执行器,是微型机电系统(MEMS)的重要研究内容之一。以基于柔性铰链的电热驱动硅微机械手为研究对象,建立了微夹钳的二次超静定力学模型,导出了钳口处输出位移的解析式,并在此基础上对硅微机械手的性能进行了分析。分析表明,微夹钳的输出位移与柔性铰链切割半径成正比,切割半径越大,输出位移越大;对各加载电压下的微夹钳输出位移,其试验和理论结果的变化趋势一致,即微夹钳输出位移随输入电压的增加基本呈线性增加。

自快速冷却鞘芯微纳结构的形状记忆合金致动器的研究

形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)电热致动器因其具有高柔性、高力重比等特点,既可以应用于航空航天机翼,又可以应用于微创手术中。为了更好地满足实际应用,需要解决大尺寸的SMA电热致动器冷却慢的问题。这里我们设计了一种鞘芯结构的SMA复合致动器,在SMA表面构造了微纳散热通道,将热量通过高导热的碳纳米管从SMA快速地径向传递给散热系数高的氮化硼纳米片(boron nitride nanosheets,BNNS)。利用商用SMA制备的尺寸可调复合致动器,冷却时间缩短了50%,工作频率提高了1个数量级,行程33%,输出力70 MPa,实现了快速循环,可用于多种应用。

硅流体芯片的仿真建模及几何参数影响分析

为研究硅流体芯片的特性,通过多物理场仿真得到了芯片输入电压与中间层杠杆机构输出位移之间的近似传递函数,结合AMESim软件进行了气路仿真研究。将气路仿真结果与实验结果进行对比,验证了仿真的有效性。利用气路仿真模型分析了静态增益和时间常数对双芯片结构阶跃响应及滞回特性的影响。使用多物理场仿真模型着重探讨了几何参数对V型电热微致动器的影响。仿真结果表明:致动器输出位移的大小主要与筋的倾角、跨长、对数有关,几何参数的改变对静态增益影响明显,时间常数主要与跨长有关。