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使用多物理场仿真分析热微执行器

2019年 3月 8日

体积小、功能强大且高效的热执行器是温控器和微机电系统（MEMS）等设备的理想选择。热执行器通过施加的电压加热，并以变形的方式“执行”指令。热执行器的工作过程涉及电气、热和结构等多种物理现象的密切耦合，这些现象会影响器件的性能，因此在设计时必须予以考虑。借助 COMSOL^® 软件，我们可以深入了解这些多物理场的相互作用并优化热执行器设计。

热执行器：小设备，大性能

热执行器（如加热电路）通过焦耳热工作，其中涉及多种效应：

流过执行器的电流
材料对电流的阻抗会产生热量
加热导致热膨胀，从而使执行器移位并可能改变其电阻

与加热电路不同，变形是热执行器需要的效应，因为这可以使它们发挥作用。

与其他类型的执行器相比，热执行器具有许多优势。例如，它们不需要高工作电压即可工作，因此通常比梳齿驱动器和其他静电执行器更高效，更适用于恒温器和安全开关等设备。此外，由于热执行器具有较小的尺寸和强大的驱动力，以及在微观尺度将电能转化为运动的能力，因此是 MEMS 的理想选择。

包含热微执行器组件的微卫星。
可以使用热微执行器进行主动热控制的微卫星。图片来自 RoyKabanlit。获CC BY-SA 4.0许可通过Wikimedia Commons共享。

热执行器（上图中为微执行器）的一些用途包括：

对微卫星启用主动热控制
驱动微镜（例如，作为扫描仪）
在微流体系统中启动微型泵
在医疗设备中提供精确的移动
控制RF 可调谐滤波器

热执行器的设计通常比其他执行器更为复杂。通常必须考虑其预期目的来创建它们，因为温度必须足够高以引起热膨胀，但又不能太热而引起永久变形。借助多物理场仿真，工程师可以分析热执行器设计，供实际应用。下面，我们以使用COMSOL Multiphysics^®软件创建的热微执行器模型为例来说明。（注意：该模型还需要使用MEMS 模块或结构力学模块。）

使用 COMSOL^® 软件模拟热微执行器中的焦耳热

该示例由基板和微执行器组成。微执行器有两个热臂，一个冷臂和每个臂末端的锚（固定在适当位置），以及可以沿 xy 平面来回移动的三个凹痕。对于大多数这些表面，使用热通量边界条件表示对流如何将设备的热量传递到周围的空气。如果需要更精确的模拟，则模型可以包括辐射冷却，但是此示例中不包括此效应。（阅读之前的博客文章了解有关地下电缆和电站锅炉设计热辐射仿真的更多信息。）

唯一不应用热通量边界条件的区域是凹坑和锚固件的底部，两个部位均设置为基板的恒定温度（293.15 K）。上臂接地，在中臂的锚点施加 5V 电压。

热微执行器的模型几何图像
三臂热微执行器的模型几何。

如果要对电流、热量产生和变形进行模拟，我们可以使用焦耳热和热膨胀多物理场接口。此功能会自动添加（并耦合）这三种物理场的方程式，从而简化模拟电压如何产生电流，进而产生热量的方程式。热量会引起热膨胀，如果限制执行器，则会导致变形。

微执行器由多晶硅制成，由于其易于与电子元件集成，因此常用于热执行器。在现实世界中，当电流流过某种材料并使其温度上升时，材料导电性会变差。但是，为简单起见，此模型假定材料属性保持恒定（单向耦合）。如果要将其转换为双向耦合，则只需要使用电导率随温度变化的材料即可。

仿真结果评估

通过执行静态仿真，我们可以基于设备中的温度上升来确定由于热膨胀导致的执行器位移量，或者将结果可视化并找到最大电流和电压；可以计算三臂微执行器中能达到的最高和最低温度，如下左图所示；可以通过更改设计（例如调整电压）来优化温度上升以达到预期用途。另外，我们还可以修改几何形状，如下图所示，将三臂微执行器设计中的最高和最低温度与两臂微执行器进行比较。