Sprawozdanie lab PMEMS

Temat ćwiczenia:

Badanie zaworu elektronicznego przy pomocy oprogramowania Comsol.

Celem ćwiczenia jest zbadanie zaworu elektronicznego (membranowego) poprzez zamodelowanie jego działania w programie Comsol.

Zasada działania takiego zaworu polega na termicznym odkształceniu metalowego elementu, powstaje w ten sposób styk. Odkształecenie to następuje w wyniku podwyższenia temperatury przewodnika, przez który przepływa prąd. Zamodelowanie zaworu polega na naszkicowaniu przekroju poprzecznego membrany i umocowaniu końców powstałego prostokąta w dwóch punktach (rys. 1), odbierając mu stopnie swobody. Powstaje w ten sposów dwuwymiarowy model mający możliwość wybrzuszania się (dzięki ustalonym w programie warunkom brzegowym).

• Rys. 1

Za pomocą programu Cosmol zostają nadane modelowi parametry fizyczne takie, jak przewodność cieplna, gęstość, pojemność cieplna, przewodność elektryczna. Pozwala to na uwzględnienie wpływu takich czynników, jak napięcie na zachowanie się membrany.

Przy zastosowaniu metody elementów skończonych na model zostaje nałożona siatka (w postaci trójkątów), dzięki której po przeprowadzeniu obliczeń program wizualizuje zmiany zachodzące w membranie.

Tabela 1 – parametry siatki

Number of degrees of freedom	4716
Number of mesh points	330
Number of elements	260
Triangular	0
Quadrilateral	260
Number of boundary elements	138
Number of vertex elements	6
Minimum element quality	0.149
Element area ratio	1

• Rys. 2 siatka nałożona na model

• Po zakończeniu obliczeń otrzymaliśmy następujący widok modelu membrany.

• W wyniku przepływu prądu i podwyższenia temperatury membrana uległa odkształceniu.

Na poniższym wykresie można zaobserwować tempo narastania odkształcenia membrany.

• W drugiej fazie ćwiczenia zwiększyłem napięcie. Lecz niestety nie zostały zapisane zmiany i nie mam możliwości zamieścić w sprawozdaniu ani widoku membrany ani wykresu.

• Lecz zaobserwowałem zwiększenie odkształcenia membrany przy zwiększaniu napięcia. Ponieważ prąd jest proporcjonalny do napięcia (zgodnie z prawem Ohma), większe napięcie oznacza większe odkształcenie. Ponieważ wraz ze wzrostem temperatury rośnie oporność przewodnika (która jest odwrotnie proporcjonalna do prądu), wartość prądu, temperatury, a co za tym idzie odkształcenia ustalają się na określonym poziomie.

• Wnioski

- Przeprowadzone ćwiczenie pokazało nam duże możliwości metody elementów skończonych w precyzyjnym modelowaniu zajwisk fizycznych takich, jak odkształcenia termiczne wywołane przepływem prądu elektrycznego.

- Na wykresach obrazujących tempo narastania odkształcenia widać, że w początkowej fazie odkształcenie narasta łagodnie. Jest to wywołane tym, że membrana podlega jednoczesnemu chłodzeniu i ogrzewaniu. W jej wnętrzu gromadzi się coraz więcej ciepła, które coraz trudniej odprowadzić, więc w póżniejszej fazie odkształcenie narasta gwałtownie.