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.