[发明专利]一种电-热-力耦合的V型热执行器的分析方法

权利要求书

1.一种电-热-力耦合的V型热执行器的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将V形热执行器整体结构划分为一组相互连接的微梁组成的传热网络，对于网络中的每一分支，即每一段微梁，建立一维温度分布函数；

S2：根据步骤S1建立的传热网络中节点的温度以及流入流出的热量，建立节点方程；

S3：确定V形热执行器热效应的边界条件，将其与步骤S2得到的节点方程联立求解，得到各个传热网络分支的温度分布；

S4：根据步骤S3得到的各个分支的温度分布，计算得到各个分支上的热应力；

S5：根据步骤S4计算得到的热应力，建立力与位移的节点方程，从而求解得到各个节点上的力与位移。

2.根据权利要求1所述的一种电-热-力耦合的V形热执行器分析方法，其特征在于：所述步骤S1中的传热网络分支的温度分布函数满足以下偏微分方程：

其中，k为材料导热系数，ρ为材料电阻率，A、p与l分别为分支截面面积、截面周长以及长度，T_a为环境温度，h为环境对流换热系数，V为驱动电压，T(x)为分支含有未知系数的温度分布函数；此方程有通解：

其中，指数参数c₁及c₂为未知系数。

3.根据权利要求1所述的一种电-热-力耦合的V形热执行器分析方法，其特征在于：所述步骤S2中的节点方程基于以下原则建立：各相连分支的温度分布函数在同一节点处取值相同，且该节点净流入热量为0；其中，从任意一分支流入节点的热量Q表示为：

其中，k为材料导热系数，A为分支截面面积，T(x)为分支含有未知系数的温度分布函数，x_node为节点坐标。

4.根据权利要求1所述的一种电-热-力耦合的V型梁热执行器分析方法，其特征在于：所述步骤S3中的边界条件包括：锚区边界条件、自由端边界条件以及驱动结构边界条件。

5.根据权利要求4所述的一种电-热-力耦合的V形热执行器分析方法，其特征在于：锚区边界条件适用于通过锚区固定于衬底上的边界，认为衬底温度始终保持在环境温度T_a，因此边界条件为：

T(x_a)＝T_a (4)

其中，x_a为锚区坐标，T(x_a)为坐标为x_a的边界的温度。

6.根据权利要求4所述的一种电-热-力耦合的V型梁热执行器分析方法，其特征在于：自由端边界条件适用于未连接任何其它结构的边界，则在此自由端处流入的热量应为0，即：

其中，x_f为自由端坐标。

7.根据权利要求4所述的一种电-热-力耦合的V型梁热执行器分析方法，其特征在于：驱动结构边界条件适用于连接有驱动结构的边界，驱动结构的热行为用其热阻R_d描述，即边界温度相对于衬底温度T_a的差与流入热量的比值，则边界条件为：

其中，k为材料导热系数，A为分支截面面积，T(x)为分支含有未知系数的温度分布函数；x_d为连接驱动结构的节点坐标，则T(x_d)即为该节点处的温度；驱动结构的热阻R_d通过建立等效热流电路计算，对于一段具有均匀截面的微结构，其热阻由一串传导电阻R_k以及一并联对流热阻R_air组成，它们分别通过下式计算：

其中，A、p与l分别为分支截面面积、截面周长以及长度，此处分支即为驱动结构。