The thesis presents the analysis, design, fabrication, and testing of a thermopneumatic microactuator that utilizes the slope-deflection of a pressurized diaphragm to obtain a long-stroke actuation in millimeter range.
In a theoretical study, large deflections of flat and corrugated diaphragms are analyzed and their deflection-stress relationships are compared. A thermopneumatic actuation mechanism is analyzed using an equivalent circuit model to predict the temperature and pressure of an expansion fluid contained in a heated cavity. On this basis, the sizes and materials of the microactuator have been selected for a minimum stroke of 1 mm; thereby designing a microactuator where a 150㎛-thick beryllium-copper diaphragm of 1cm-radius seals the cavity volume of $94.2mm^3$, containing a $45Ω$ tantalum resistor and an expansion fluid of the perfluoro normal hexane (FC-72).
In the fabrication process, heater and electrical interconnection pads are fabricated on a glass plate by surface-micromachining technique and the other components are manufactured by conventional mechanical machining techniques, including milling, sand blustering, and electrical discharge machining.
In the experimental test of the fabricated microactuator, a DC power of 12 V is supplied to the tantalum heater for 2 minutes. The microactuator generates a 400 ㎛ deflection of diaphragm and 2˚ slope-deflection of the drive-plate, which in turn produces a 1.2 mm stroke at the end of the drive-plate. A set of design variants having four different cavity volumes with three different resistive heaters, has been also fabricated and tested for the power supply of voltage levels. The experimental results are compared with the theoretical values, and guidelines for the design of long-stroke thermopneumatic actuators have been presented. Theoretical and experimental performance characteristics of the thermopneumatic microactuator are also discussed.
밀리미터 범위의 장행정(long-stroke) 구동을 구현하기 위하여, 박막의 변형 각도를 이용하는 열공압형 소형 액추에이터를 해석, 설계, 제작 하고 그 성능을 측정 하였다.
이론적 연구에서는 평평한 박막과 주름진 박막의 대변형 특성을 해석하였으며, 이 두 박막의 변형과 응력과의 관계를 서로 비교하였다. 또한, 열공압형 소형 액추에이터의 열전달 모델을 등가전기회로로 표현하여 공동 내의 온도와 압력을 이론적으로 예측하였다. 이러한 해석 결과를 바탕으로, 1 mm 이상 구동이 가능한 소형 액추에이터의 크기와 재료를 설계한 결과, 두께 150 mm, 반지름 1 cm인 베릴륨동 박판과, 초기 부피 94.2㎣인 밀폐된 공동을 설계하였다.
또한, 공동의 내부에 45 W 의 탄탈륨 열선과 팽창물질인 perfluoro normal-hexane (FC-72)이 포함하도록 설계하였다. 설계된 열공압형 액추에이터를 제작함에 있어서, 열선과 전기적 연결부위는 표면 미세 가공법을 이용하였으며, 나머지 부분들은 밀링, 샌드블러스터, 전기방전가공 등 기존의 기계가공법을 이용하였다. 12 V의 직류 전원을 2분 동안 탄탈륨 열선에 공급한 결과, 본 소형 액추에이터로 부터 박막 최대 변형 400 mm와 변형 각도 2˚를 얻었으며, 이를 이용하여 최종적으로 1.2 mm의 구동판의 행정을 얻었다. 또한, 공동의 부피와 열선의 저항, 그리고 가해주는 전압을 변화시켜 가며 액추에이터 박막의 변형을 측정하였으며, 그 측정결과를 이론적으로 예측한 값들과 비교, 분석하였다. 열공압형 소형 액추에이터의 작동 특성을 이론적으로 예측하였으며, 실험적으로 측정한 값들과 비교하고, 그 결과에 대하여 토의하였다.
