Simulari cu "coventor", bazate pe elementul finit, pentru un nou model de microgriper

SIMULARI cu "COVENTOR", bazate pe elementul finit, pentru un nou model de microgriper

1. Modele de microgrippere proiectate

S-a proiectat un nou model de microgripper. Acesta a fost simulat cu ajutorul softului dedicat simularii microsistemelor : COVENTOR WARE - 2006, apoi a fost analizat si comparat cu rezultatele obtinute pentru vechiul model de microgripper, prezentat la o faza anterioara.

Deci in cadrul proiectului au   fost investigate doua metode pentru a reduce deplasarile mecanice pe verticala, nedorite, ale bratelor microgripperului :

prima metoda a constat in a utiliza doua straturi de metal (aur) care cuprind intre ele stratul polimeric (SU-8) pentru a compensa astfel deplasarile pe verticala in special ale bratelor structurii ( Fig.1); aceasta metoda a fot prezentata la o faza anterioara

a doua metoda consta in a introduce un singur strat de metal (Au) intre doua straturi de polimer (SU-8) ( Fig. 2)

Fig. 1: Configuratia primului model de microgripper proiectat si detaliu

Fig.2 Configuratia celui de-al doilea model de microgripper proiectat si detaliu

Masca pentru structura de rezistenta metalica, folosita pentru aceste modelele de microgripperre este prezentata in figura 3. Aceasta masca este identica petru clele doua straturi (superior si inferior) in cazul primului model.

Fig. 3 Mastile pentru straturile de aur ( cu galben) si pentru straturile cu polimer (cu rosu)

Pentru simulare s-a considerat structura simplificata a microgripperului, pentru cel de- al doilea model, cu dimensiunile:

mm lungimea bratelor libere, fra rezistente,

mm lungimea bratelor cu rezistente (rece si cald ),

- 2 mm /25 mm grosimea stratului de SiO₂/ SU-8,

- un strat subtire de Crom care va fi neglijat in simulari

- 0.3 mm grosimea stratului de Aur.

Ca parametrii de simulare, s-au folosit 7696 elemente de volum, tipul elementelor fiind Parabolic Hexahedron (27V, 12PE, 6PF), tipul mesului Manhattan bricks Parabolic. Modelul a fost mesat cu elemente hexaedrale cu 27 de noduri, iar numarul elementelor de volum a fost optimizat alegand corespunzator marimea elementelor de-a lungul axelor. S-a efectuat o analiza neliniara.

2. Rezultatele simularilor

Au fost rulate analize cuplate electro-termo-mecanice necesare pentru a determina comportamentul microgripperului in aer, considerand diferite tensiuni electrice de actuare.

Pentru conditiile termice la limita, necesare in setarile simularilor, temperatura initiala a intregii structuri si a mediului inconjurator a fost setata la 27 ^oC , iar coeficientul de convectie pentru aer, fara constrangeri, a fost setat la valoarea 20 W/m²K.

Proprietatile de material folosite in simulari sunt prezentate in tabelul urmator:

Valori ale proprietatilor de material utilizate in simulari

a)

b)

c)

Fig. 4. Valorile rezultatelor obtinute in urma simularilor comportamentului celor doua structuri :

a) valorile in grade K a temperaturilor maxime care apar in bratele calde ale modelului;

b) valorile in micrometri a deplasarilor pe verticala a bratelor microgriperului;

c) valorile in micrometri a deschiderii bratelor microgripperului ( distanta ramasa intre varfurile bratelor libere)

Graficul cu rosu corespunde celei de-a doua structuri

Se poate observa din analiza figurilor anterioare ca deplasarile pe verticala obtinute pentru cea de a doua configuratie (cu un singur strat metalic) sunt mai mici decat cele obtinute pentru prima structura (cu 2 straturi metalice), in timp temperaturile sunt apropiate ca valoare.

Modelul propus la aceasta faza va fi experimentat in continuare. Din punct de vedere tehnologic, va fi mai simplu de fabricat, utilizand un singur strat metalic de aur.

Se vor utiliza aceleasi masti dar pentru configuratia propusa in cel de-al doilea model, pasii tehnologici vor fi mai simpli si necritici, stratul de polimer fiind mai subtire, iar depunerea de aur efectuandu-se o singura data.

CONCLUZII

T    S-au proiectat doua tipuri de fotodetectoare multielement pentru micro-pozitionare optica si anume un tip sub forma de matrice liniara cu 4 elemente active de tip fotodiode PIN si un tip de fotodetector sub forma de matrice patrata cu 3x3 elemente active. Fiecare fotodioda PIN componenta are aria activa de 120 x 120mm² si spatiul intre doua elemente adiacente de 30mm.

T    S-au proiectat si realizat mastile pentru realizare structuri constand din set de 4 masti: deschidere ferestre pentru difuzie, deschidere ferestre pentru corodare metalizare, configurare contacte, configurare ghid optic.

T    S-a eleaborat fluxul tehnologic de realizare straucturi si s-a compatibilizat procesul polimeric de realizare ghid cu tehnologia siliciului de realizare structuri de micropozitionare optica.

T    S-au simulat si proiectat un nou tip de gripper pentru care ca deplasarile pe verticala sunt mai mici decat cele obtinute pentru prima structura iar procesul tehnologic este mai simplu pentru ca se utilizeaza un singur strat de aur.

Rezultatele obtinute la aceasta faza au fost diseminate prin :

T Lucrari stiintifice

1. R. Voicu, D. Esinenco, R. Müller, L. Eftime, C. Tibeica, "Method for overcoming the unwanted displacements of an electro-thermally actuated microgripper", Proceedings of 4M Conference, Bulgaria, pp.39-42, oct.2007.

2. R. Voicu, C. Tibeica, L.Eftime, R. Müller "Analysis of displacements of a polymeric microgripper", pp Proc. of International Semiconductor Conference - CAS 2007, October 15-17, 2007, Sinaia, Romania, IEEE Catalog Number 07TH8934

T Participarea unui tanar cercetator la doua manifestari stiintifice, o conferinta internationala si o conferinta in cadrul unui proiect international:

- A XXX-a editie a 'Conferintei Internationale de Semiconductori' (CAS 2007)

15-17 Octombrie 2007, Sinaia, Romania

- 4M2007 Conference on Multi-Material Micro Manufacture 3-5 October 2007 Borovets Bulgaria

T Pagina web a proiectului a fost completata cu o parte din ultimele rezultate.

T Alte rezultate vor face obiectului unui brevet care va fi depus pana la faza urmatoare