电热驱动Bimorph微执行器对流系数估算方法研究.pdf

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1、第28卷第8期VoI．28NO．82015年8月Aug．2015AStudyontheConvectionCoeficientofanElectro—ThermalBimorphActuatorLIUJunwen1，XUDachengp，CHENQiao2，DINGJinling2，XIEHuikai3(1．CollegeofElectronicsandInformationScience，SoochowUniversity，Suzhou215000，China；2．WiOTechnologyCo．Ltd，Wuxi21

2、4000，China；3．DepartmentofElectricalandComputerEngineering．UniversityofFlorida32611，Florida．USA)Abstract：AmethodofestimatingtheconvectioncoefficientatmicroscaleiSpresentedinthispaper．basedonthemodelingandexperimentaldataofamicrofabricatedelectrothermalbimorphactu

3、ator．Inthismethod．ananalyticalheattransfermodeloftheelectro．thermalbimorphactuatoriSestablishedfirst．ThenthemodeliSusedtoanalyzethetemperaturedistributionandextracttheconvectioneoemcientfrommeasurementdata．TheconvectioncoefieientNobtainedbythismethodmatchestheex

4、perimentalresultwithin8．1％．whichvalidatestherationalityofthismethod．传眦Keywords：convectiontoefieient：electro—thermalBimorph：micro．actuator；thermalresistancemodel感EEACC：2575：8460；7320Rdoi：10．39690．issn．1004-1699．2015．O8．004O吏，电热驱动Bimorph微执行器对流系数估算方法研究术学A刘骏文，徐大诚，陈巧

5、，丁金玲，谢会开寺_(1．苏州大学电子信息学院，江苏苏州215000；2．无锡微奥科技有限公司，江苏无锡214000；艮3．美国佛罗里达大学电气与计算机工程系，美国佛罗里达州32611)摘要：随着电热驱动MEMS器件尺寸进一步缩小，传统热对流系数的取值已无法满足微系统分析建模需求。针对电热型Bimorph结构的MEMS微镜驱动器，通过分析其温度分布，并以其平均温度为参考指标建立简单热阻和对流热阻分段模型，推算出微尺度下精确的对流系数，提高了微执行器设计模型的驱动性能。经理论计算和实验测试验证，对流系数值的误差在8．1％

6、以内，满足实际设计需求，验证了该方法的合理性和可行性。关键词：对流系数；电热Bimorph结构；微执行器；热阻模型中图分类号：TP215；TK124文献标识码：A文章编号：1004-1699(2015)08—1120-05近年来，微机电系统(MEMS)获得了高速发努赛尔数的经验公式，如经典的Morgan、Churchill展，电热驱动MEMS器件应用越来越广泛¨。对和Yang关系式；(3)微细金属丝的实验测试方微小尺寸下热传递的探讨与研究也就显得越来越法。。，等等。但基于边界条件的方法过于复杂，经重要，成为当前研究的热

7、点。在宏观尺度下，对验公式法和经典公式有诸如尺寸及形状等条件的限流系数典型值为2W／(m·oC)～25W／(m·℃)；当制，实验测试法又受限于实验对象和条件的影响，很尺度在lO0~m以下，Peirs建议对流系数可取100多时候都不太实用。这样就很有必要找到一种简单W／(m·cI=)。但是随着尺寸进一步减小，研究发可行方法，计算出热驱动环境的实际对流系数。现，已有的对流系数参考值已无法满足实际要求。本文针对电热型MEMS微镜的执行器Bimorph在MEMS微镜模型创建和性能分析时，采用电热驱结构，在建立简单热阻和对流热阻

8、分段模型的基础动Bimorph执行器的几何尺度为14m×700txm，上，推算出微尺度下的对流系数。该方法求得的对流若用上述对流系数参考值来计算Bimorph温度时，系数能够满足MEMS微镜热驱动系统的设计要求。发现与实际测得温度有很大差距，给执行器驱动能1电热Bimorph结构及原理力的设计带来较大困难。图1为电热驱动MEMS微