Analysis & Design Optimization of laterally driven Poly-Silicon Electro-thermal Micro-gripper for Micro-objects Manipulation

Description

[IT]

Il presente lavoro riguarda la progettazione e la simulazione di un Micro Gripper con pilotaggio laterale in Silicio policristallino, azionato da un meccanismo di attuazione elettrotermico.
L’obiettivo del progetto è il design della struttura proposta nell’articolo citato e lo studio del funzionamento attraverso la verifica dei risultati ottenuti nelle simulazioni prodotte dal software COMSOL Multiphysics 5.3.
Ci si pone il vincolo di valutare il comportamento del dispositivo per 10 valori diversi del potenziale applicato che garantiscano il corretto funzionamento della struttura.
Per uno dei valori precedenti si verifica cosa accadde in conseguenza di variazioni della lunghezza di Hot Arm.

Il progetto pone come obiettivo la progettazione e la simulazione di un Micro Gripper con pilotaggio laterale in Silicio policristallino, azionato da un meccanismo di attuazione elettrotermico.
La manipolazione di micro oggetti è considerata una delle discipline più impegnative dell’ingegneria moderna ed è perciò oggetto di studio ed attività di intensa ricerca.
I Micro Gripper trovano applicazione nei settori micro-robotics, micro-surgery e micro-medical.
Varie tipologie di attuazione sono possibili al fine di attivare un Micro Gripper:

• Electrothermal;
• Electrostatic;
• Piezoelectric;
• Electromagnetic;

Il meccanismo elettrotermico è la tipologia di attuazione più utilizzata al fine di ottenere ampie deformazioni applicando basso potenziale ai contatti della struttura realizzata.
Il Micro Gripper è costituito da due micro attuatori, a loro volta costituiti da due braccia, che operano sulla base del riscaldamento dovuto all’effetto Joule e si dilatano per espansione termica.
Ogni micro attuatore è composto da:

• 1x Hot Arm;
• 1x Cold Arm;
• 1x Flexure;
• 2x Anchor Pad;
• 2x Substrate Pad;

Hot Arm è il braccio stretto mentre Cold Arm è il braccio largo; Flexure unisce il Cold Arm con il proprio Anchor Pad; Substrate Pad connette la struttura col substrato.
Quando la tensione è applicata in serie, come in figura, la corrente fluisce attraverso le braccia del micro attuatore.
In accordo con le seguenti relazioni: R=rho*L/S e P=R*I^2

Hot Arm si scalda maggiormente rispetto a Cold Arm a causa del valore maggiore di resistenza che presenta tale componente.
Come risultato Hot Arm si dilata maggiormente rispetto a Cold Arm generando la forza meccanica che consente alla struttura di orientarsi.

Programs Used:

• COMSOL Multiphysics 5.3;