Design and simulation of an optimized electrothermal microactuator with Z-shaped beams

Abstract

El desplazamiento de la flecha central de un actuador chevrón con brazos basados en una geometría de forma Z puede ser calculado utilizando una aproximación desarrollada por otros autores, quienes probaron que los actuadores con un solo brazo ofrecen un mayor desplazamiento comparado con los actuadores en forma V convencionales, y que a su vez también ofrecen mayor rango de rigidez y fuerza de salida. Este artículo está enfocado en optimizar un actuador de ocho brazos en forma Z, buscando incrementar la respuesta anteriormente mencionada. La estructura fue diseñada en un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D, Autodesk Inventor y simulada por el método de elemento finito en Ansys 15.0. Se implementaron varias longitudes en el largo de la forma Z, con la finalidad de seleccionar la longitud que proporcione el mayor desplazamiento. El potencial eléctrico aplicado en todos los casos fue de 0.2 V hasta 5 V. En los resultados se muestra que utilizando la longitud de la forma Z de los brazos del actuador Z optimizado se obtiene un incremento en el desplazamiento de la flecha de aproximadamente 50% comparado con el obtenido en el actuador V, y de un 38% en el actuador Z original. Además, se puede notar que estos resultados, empleando la aproximación analítica, son extremadamente cercanos a los resultados obtenidos mediante la simulación. La longitud total de los brazos con forma Z es el factor determinante del desplazamiento de la flecha. La baja rigidez mostrada por el actuador Z optimizado (89% menor que el actuador V y 58% comparado con el chevrón Z original) hace que pueda utilizarse como sensor de carga.