Failure analysis of electro-thermal micro-actuator under  effect of process error

Hao CHEN; Yun CAO; Xin-jie WANG; Jiong WANG; Zhan-wen XI; Wei-rong NIE

doi:10.37188/OPE.20212906.1365

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Failure analysis of electro-thermal micro-actuator under effect of process error

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2021-07-03

- Failure analysis of electro-thermal micro-actuator under effect of process error
- Optics and Precision Engineering Vol. 29, Issue 6, Pages: 1365-1374(2021)
- 作者机构：
  
  南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20212906.1365
  CLC： TH16;TP18
- Received：17 July 2020，
  
  Revised：16 September 2020，
  
  Published：15 June 2021
- 稿件说明：
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陈浩,曹云,王新杰等.工艺误差影响下微电热驱动器失效分析[J].光学精密工程,2021,29(06):1365-1374.

CHEN Hao,CAO Yun,WANG Xin-jie,et al.Failure analysis of electro-thermal micro-actuator under effect of process error[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(06):1365-1374.
陈浩,曹云,王新杰等.工艺误差影响下微电热驱动器失效分析[J].光学精密工程,2021,29(06):1365-1374. DOI： 10.37188/OPE.20212906.1365.

CHEN Hao,CAO Yun,WANG Xin-jie,et al.Failure analysis of electro-thermal micro-actuator under effect of process error[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(06):1365-1374. DOI： 10.37188/OPE.20212906.1365.

摘要

为了研究V型电热驱动器温度失效概率，基于驱动器存在的加工误差，对驱动器对称中心处的温度（整个驱动器的最高温度）进行不确定性分析。首先对同一加工批次驱动器进行测量计算，拟合得到当驱动器宽度和电阻率满足正态分布的参数。建立V型电热驱动器有限元模型并进行实验验证，从而保证不确定性分析中所用样本数据来源的可靠性。根据宽度和电阻率的分布特征并基于非侵入式混沌多项式展开方法，选取Hermite正交多项式进行展开，通过高斯数值积分法，求得多项式系数。最后使用蒙特卡洛法对所建立的温度混沌多项式模型进行验证。研究结果表明，混沌多项式模型能准确得到驱动器上最高温度的随机分布；最高温度的主要分布范围和均值随着电压的增大而增大；V型电热驱动器发生温度失效的概率也随着电压的增大而增大。在18 V电压作用下，该加工批次驱动器的温度失效概率达到91.5%。

Abstract

In order to study the failure probability of a V-shaped electro-thermal micro-actuator， an uncertainty analysis of the temperature at the center of the actuator， where the highest temperature is located is performed based on its process error. The actuators that were fabricated at the same time are first measured. Then， the parameters are obtained when the width and resistivity satisfy the normal distribution. Moreover， the finite element model （FEM） of the actuator is established and validated by experiment， which ensures that the sample data used in the uncertainty analysis is accurate. According to the distribution of width and electrical resistivity and the non-intrusive polynomial chaos expansion （NIPCE）， the Hermite orthogonal polynomial is chosen for the chaos expansion. Its coefficient is obtained by the Gauss numerical integration method. Finally， the chaos polynomial model of the temperature is validated by the Monte Carlo simulation. The results show that the stochastic distribution of the highest temperature on the actuator is accurate， which is obtained by using the chaos polynomial model. The main distribution and mean value of the highest temperature increases with an increase in the voltage. Similarly， the probability of temperature failure of the actuator also increases with an increase in the voltage. When an 18 V voltage is applied， the failure probability of the actuator is 91.5%.

关键词

Keywords

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