基于有限元法的MEMS热电效应仿真研究

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热电效应的发现已有150多年的历史,然而,在其后近100年的过程中由于热电转换效率低下,其应用一直受到限制。直到本世纪50年代随着热电性能较好的半导体材料的发现,温差电技术才得到了进一步的发展。目前,随着MEMS技术和纳米技术的迅速发展和应用,各种微型电子设备的应用越来越广泛,如一些植入式装置、分布式系统、无线通信、航空航天等,并且芯片集成度不断增大,工作频率和器件密度都在提高。针对这些MEMS系统的微型电源和制冷散热的研究和开发具有迫切的需求。  本文中以温差电单偶模型为对象,围绕热电器件的性能分析,基于IntelliSuite有限元分析软件,运用有限元(FEM)数值计算方法对温差电单偶器件的性能进行设计仿真研究。  首先对温差电效应的发展历史和原理进行了介绍,描绘了其在MEMS这一新兴领域的应用研究的前景。并且给出了描述其物理过程的耦合场数学方程组,对影响热电性能的参数进行了讨论。接着介绍了有限元法的基本原理,根据MEMS设计中的多场耦合特点,运用伽辽金构法构造了有限元方程组,考虑了假设条件、求解域和边界条件。最后基于IntelliSuite软件采用Fortran编程语言开发了适用于MEMS热电器件工作性能仿真的专用程序。建立了描述实际问题的简化有限元计算模型,通过具体的优化设计思想,对热电输出功率和转换效率进行分析研究,给出了仿真分析结果。程序计算结果与理论计算值相比具有较高的计算精度,可满足工程使用。
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