Hình ảnh kết quả mô phỏng và tính toán về nhiệt độ hoạt động của cơ cấu chấp
hành vi gắp nhiệt điện silic-polyme tích hợp cảm biến (xem Hình 2.10) cho thấy nhiệt
độ cao tập trung vào các ngăn xếp silic-polyme ở gần phía đầu kẹp, còn các khối ở gần
giá đỡ (đế) có nhiệt độ thấp hơn nhiều. Hiện tượng này xảy ra bất kể kích thước của sợi nhôm phía trên là đồng đều, có nghĩa là nhiệt lượng tỏa ra ở từng vị trí ngăn xếp
54
dẫn vào giá đỡ. Đối lưu nhiệt do không khí xung quanh cũng có thể là một nguyên
nhân, tuy nhiên trong trường hợp này nó không ảnh hưởng đến phân bố nhiệt như vậy
do tiết diện tiếp xúc giữa không khí và cơ cấu là đồng đều. Ta có thể thấy chuyển vị
của đầu kẹp chủ yếu do giãn nở của các ngăn xếp có nhiệt độ cao ở gần đầu kẹp, các khối ở gần giá đỡkhông đóng góp nhiều.
Từ phương pháp tính toán về phân bố nhiệt độ trên cơ cấu chấp hành (xem
phương trình (2.2) và (2.18)), ta thấy phương trình toán học chỉ thể hiện cơ chế bên
trong cấu trúc vi gắp, còn phần tiếp giáp với đế chỉ xem là một điều kiện biên (xem
phương trình (2.8)) khi mặc định phần đế này luôn có nhiệt độ bằng nhiệt độ phòng. Việc sử dụng phương trình phân bố nhiệt của vi gắp để tìm kiếm vùng cực trị cho sự
truyền nhiệt ra bên ngoài (trong đó có phần giá đỡ) là không khả thi. Bên cạnh đó, theo
phương trình (2.2) thì để giảm thiểu sự truyền nhiệt giữa cơ cấu chấp hành và giá đỡ, ta phải giảm tối đa thể tích kết nối silic giữa chúng. Do vậy, bước đầu tiên trong quá trình tối ưu nhiệt độ hoạt động của vi gắp nhiệt điện silic-polyme tích hợp cảm biến là phải sử dụng phương pháp thử nghiệm và sàng lọc kết quả thông qua chương trình mô
phỏng với mô hình mô phỏng đã được xây dựng cho hệ thống này.
Việc giảm thể tích kết nối giữa phần giá đỡvà cơ cấu chấp hành có thể thực hiện
được theo rất nhiều cách khác nhau, ví dụ như giảm độ dày, giảm diện tích tiếp xúc
hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên ở phần silic tiếp giáp. Tuy nhiên phương án
giảm độ dày không khả thi vì liên quan đến quy trình chế tạo khi phải thêm một số bước dẫn đến tăng giá sản phẩm. Tác giả đã chọn phương án đơn giản hơn đó là giảm diện tích tiếp xúc và rất nhiều hình dạng cắt bỏ phần silic này được thử nghiệm. Hình 2.11 chỉ ra một số cách cắt bỏ một phần silic ở vùng tiếp giáp để giảm cơ chế truyền nhiệt.
55
Hình 2.11 Các phương ánthay đổi về cấu trúc trên cơ cấu chấp hành
Các phương án thay đổi kể trên lần lượt được mô phỏng với cùng một điệu kiện
như nhau. Phần giá đỡđược coi là có cùng nhiệt độ với môi trường xung quanh.
Bảng 2-2 So sánh kết quả mô phỏng giữa các phương án
Phương án Nhiệt độ cao nhất ( 0C) Chuyển vị (µm)
Nguyên gốc 155 3,02
A 86 3,91
B 87,6 3,86
C 91,2 3,76
D 82 4,05
Kết quả trong Bảng 2-2 cho thấy nhiệt độ cực đại trên cơ cấu chấp hành ở trạng thái hoạt động cân bằng đã được khắc phục đáng kể khi giảm cơ chế truyền nhiệt giữa
cơ cấu chấp hành và giá đỡ. Phương án D có kết quả tốt nhất theo phương diện giảm nhiệt độ hoạt động (nhiệt độ ở cao nhất giảm xuống còn 82 C so với 155 C của cấu
trúc ban đầu – giảm 47%). Thêm vào đó, chuyển vị của đầu kẹp cũng tăng lên 30% (từ
3,02 µm đến 4,05 µm).
Từ rất nhiều phương án thử nghiệm, tác giả chọn ra bốn phương án khả quan và
so sánh với cấu trúc nguyên bản để đánh giá. Đến thời điểm hiện tại, phương án D được xem là phương án tốt nhất cho mục tiêu giảm sự thất thoát nhiệt ra bên ngoài. Bên cạnh đó, sự thay đổi này không làm thay đổi bản chất của vi gắp và không ảnh
56
không làm phát sinh thêm các thay đổi trong quy trình chế tạo của vi gắp ban đầu.
Hình 2.12 so sánh phân bố nhiệt độ giữa hai cơ cấu, cơ cấu đầu tiên và cơ cấu đã được
chỉnh sửa (phương án D).
Hình 2.12 Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ trên cơ cấu chấp hành của phương án D so với cấu trúc
nguyên bản