MODELADO DEL COMPORTAMIENTO ELECTRO-TÉRMICO Y ESTRUCTURAL DE UNA MICROPINZA EN TECNOLOGÍA MEMS

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Universidad Veracruzana

Centro de investigación en Micro y Nanotecnología

TÍTULO PROPUESTO DE LA TESIS:

“MODELADO DEL COMPORTAMIENTO ELECTRO-TÉRMICO Y ESTRUCTURAL DE UNA MICROPINZA EN TECNOLOGÍA MEMS”

LICENCIATURA MECÁNICA ELÉCTRICA.

ALUMNO: MARÍA EUGENIA MARTÍNEZ VALENZUELA

DIRECTOR: DR. AGUSTÍN LEOBARDO HERRERA MAY

CO-DIRECTOR: DR. FRANCISCO LÓPEZ HUERTA

Boca del Río, Ver., a 11 de febrero de 2015

1.-Introducción

Micropinzas actúan como un papel importante en las manipulaciones de micro piezas y tejidos biológicos células. Muchas micropinza se han desarrollado diferentes materiales, como lo son el silicio, acero, níquel y polímero, son materiales comunes en la fabricación de micropinzas.

Los principios de conducción de éstas micropinzas es basado en el fenómeno de expansión térmica causada por el calor de joule, actuadores electrotérmicos que tienen ventajas como deformaciones, la fuerza fuerte de recuperación, baja tensión de accionamiento y la estructura compacta.  

En este trabajo, la micropinza  con un gran alcance de agarre y mandíbulas de usos múltiples es diseñada y el software ANSYS se utilizara para comprobar las actuaciones de la micropinza

 2.- Diseño de a micropinza.

La micropinza es impulsada por Chevron que es un actuador electrotérmico  y tiene una estructura monolíticay generalmente consta de tres partes: el electrotémico Chevron actuador, un mecanismo de amplificación compatible y un par de mordazas

3.-Principio de operación de estructuras resonantes.

Estos microsensores explotan el principio de la fuerza de Lorentz. Esta fuerza incrementa el desplazamiento de una estructura resonante, el cual puede ser medido por técnicas de detección capacitiva, óptica y piezorresistiva.

Una estructura resonante presenta una respuesta amplificada a una fuente de excitación suministrada con una frecuencia igual a la frecuencia resonante de la estructura. Esta amplificación es causada por la transferencia eficiente de la energía de la fuente de excitación a la estructura [6]. Una estructura generalmente tiene un número infinito de resonancias o modos de vibración; así, un sensor resonante usa una estructura que opera en una de estas frecuencias, generalmente la más usada es la primera frecuencia resonante o el primer modo. Por lo tanto, un sensor basado en una estructura resonante puede lograr mayores señales de salida, incrementando su sensibilidad.

Los microsensores  de  campo magnético  resonantes pueden ser excitados en sus frecuencias resonantes por fuerzas electrostáticas o fuerzas de Lorentz. Estas estructuras comúnmente son integradas por vigas doblemente empotradas/vigas empotradas en un extremo, placa torsional/flexionante o un arreglo de éstas. La aplicación de campos magnéticos externos altera las deflexiones de la estructura resonante, la cual puede ser detectada a través de técnicas piezorresistiva, óptica y capacitiva. Por ejemplo, una estructura resonante basada en una viga doblemente empotrada tiene su primer frecuencia resonante asociada a un modo flexionante, como se muestra en la Figura 1(a,b).

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(a)                                                                 (b)

Figura 1. Vista esquemática de (a) una viga doblemente empotrada y (b) su modo de vibración [6].

Si la viga doblemente empotrada es excitada mediante una fuerza armónica con una frecuencia igual a su primera frecuencia resonante, entonces la viga tendrá una deflexión máxima en su punto medio “midpoint”. La fuente de excitación puede ser una fuerza de Lorentz causada por la interacción entre un campo magnético externo y una corriente de excitación alternante. Para esto, un lazo de aluminio es localizado sobre la superficie de la viga y una corriente de excitación (I) fluye dentro del lazo de alumniio a una frecuencia igual a la primera frecuencia resonante de la viga, como se muestra en la Figura 2. Cuando la viga es expuesta a un campo magnético externo (Bx) en la dirección del eje x, entonces una fuerza de Lorentz (FL) es generada. Esta fuerza puede ser determinada por:

[pic 4]                                                       (1)

donde Ly es la longitud del lazo de aluminio perpendicular al campo magnético.

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Figura 2. Vista esquemática del principio de la Fuerza de Lorentz actuando sobre una viga doblemente empotrada [6].

La fuerza de Lorentz actúa como una fuente de excitación sobre la viga doblemente empotrada, causándole una deflexión. Así, la magnitud de ésta deflexión depende del valor de la fuerza de Lorentz, la cual es directamente proporcional a la I y Bx.  El método de Rayleigh es una alternativa eficiente para determinar la primera frecuencia resonante de estructuras continuas. Este método encuentra la primera frecuencia resonante (fres) por medio de la razón de la energía potencial máxima (Umax) respecto a la energía cinética máxima (Tmax) de la estructura [6]. Por lo tanto, la fres es obtenida como:

[pic 6]                                                   (2)

[pic 7]                                               (3)

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donde L es la longitud de la estructura resonante, E es el módulo de elasticidad, I es el momento de área de la sección transversal, ρ es la densidad, A es el área de la sección transversal y z(y) es la función de la deflexión de la estructura resonante.  

La primera frecuencia resonante de una estructura es directamente proporcional a su módulo de elasticidad y momento de inercia e inversamente proporcional a su densidad y área de la sección transversal. Además, los esfuerzos residuales sobre la estructura pueden afectar su frecuencia resonante. Por ende, una variación en estos parámetros cambiará la magnitud de la frecuencia resonante.

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