MEMS tabanlı elektrotermal mikro-aktüatörün tasarımı ve sonlu elemanlar analizi

Abstract

Bu makale, COMSOL yazılımı ile tasarlanan mikro elektromekanik sistem (MEMS) tabanlı elektrotermal mikro-aktüatörün sonlu elemanlar analizi çalışmasını sunmaktadır. Elektrotermal aktüatörler, elektrostatik aktüatörlere kıyasla daha büyük yer değiştirmeler sağlamaktadır. Termal aktüatörler iki tiptir. Bimorf termal aktüatör ve tek malzemeden yapılmış elektrotermal uyumlu (ETU) aktüatör. Bimorf aktüatörler, iki veya daha fazla farklı malzemeden yapılmış kompozit yapıdır. Bu çalışmada ETU tipi termal aktüatör kullanılmıştır. İki yönde hareket edebilen mikro-aktüatör, belirlenen kriterlere göre tasarlanmış ve analizler gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar analizi için mikro-aktüatöre iletken özelliği olan polycrystalline silicon malzeme ataması yapılmıştır. Bu analiz mikro-aktüatörün fabrikasyonu ve karakterizasyonu işlemleri öncesinde büyük öneme sahiptir. Analiz sürecinde gerilim uygulanarak mikro-aktüatörün hareket etmesi sağlanmıştır. Çalışma gerilimi, 1V’luk artışlarla 0V’dan mikro-aktüatörün yapısında kırılmalar ve bozulmalar gözlemlenene kadar artırılmıştır. Mikro-aktüatör 5V gerilime kadar dayanabilmiştir. Bu gerilim değerinden sonra mikro-aktüatörün yapısında kırılmalar ve bozulmalar meydana gelmiştir. Analizler sonucunda maksimum yer değiştirme 5V gerilim uygulandığında 4.18 µm olarak ölçülmüştür. Sonuç olarak, elektrotermal mikro-aktüatör tasarımı çift yönlü olduğundan maksimum yer değiştirme 8.36 µm olarak tespit edilmiştir.

This article presents the finite element analysis study of the micro-electromechanical system (MEMS) based electrothermal micro-actuator designed with COMSOL software. Electrothermal actuators provide larger displacements compared to electrostatic actuators. Thermal actuators are of two types. Bimorph thermal actuator and electrothermal compatible (ETU) actuator made of single material. Bimorph actuators are composite structures made of two or more different materials. In this study, ETU type thermal actuator was used. The micro-actuator, which can move in two directions, has been designed and analyzed according to the specified criteria. Polycrystalline silicon material is assigned to the micro-actuator for finite element analysis. which has a conductive feature. This analysis is of great importance before the fabrication and characterization processes of the micro-actuator. During the analysis process, the micro-actuator was moved by applying voltage. The operating voltage is increased from 0V in 1V increments until breaks and distortions are observed in the structure of the micro-actuator. The micro-actuator was able to withstand up to 5V voltage. After this voltage value, breaks and distortions occurred in the structure of the micro-actuator. As a result of the analyzes, the maximum displacement was measured as 4.18 µm when 5V voltage was applied. As the electrothermal microactuator design is bidirectional, the maximum displacement was determined to be 8.36 µm.