Реферат: Проектирование и технология радиоэлектронных средств

--PAGE_BREAK--2. Законы пропорциональной миниатюризации


При изучении микросистем последствия пропорционального уменьшения размеров представляют особый интерес. То есть принимается, что все размеры и углы остаются в фиксированном соотношении друг с другом, а изменяется только масштаб длины, например, предположим изометрический масштаб. Механические процессы описываются соответствующими характеристическими числами, которые должны остаться постоянными, для того чтобы процессы остались такими же. Некоторые характеристические числа зависят от размера системы, а другие независимы от него. Здесь представлены только некоторые характеристические числа, которые особенно интересны для применения в микросистемах.

Число Коши (упругие колебания)

Число Коши [Формула 1 (Рис. 1)] определяет соотношение инерционных сил и сил упругости в твёрдом теле, оно характеризует движение или вибрацию.

Число Коши зависит только от квадрата длины L и частоты колебаний ω, а также от свойств материала (от плотности — ρ и модуля Юнга — Е).

При упругой вибрации, это, следовательно, подразумевает, что масштаб частоты колебаний обратно пропорционален длине.

Из этого следует, что механические микросистемы обладают очень высокими собственными частотами.

Хотя собственные частоты ограничивают рабочий диапазон, миниатюризированные системы проявляют значительно улучшенные динамические характеристики и более низкое время реакции.
<img width=«153» height=«348» src=«ref-1_1614680712-6492.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

Рис. 1

Число Вебера (инерция, поверхностное натяжение)

Число Вебера [Формула 2 (Рис.1)] определено, как соотношение инерционных сил и поверхностного натяжения. Где u — это скорость, ρ — плотность и σs — поверхностное натяжение, для воды значение σs = 0,073 Н/м. Для больших чисел Вебера инерционные силы играют главенствующую роль, в то время как для маленьких чисел Вебера силы поверхностного натяжения значительны. Число Вебера имеет значение при формировании волн на свободных поверхностях, для потоков жидкости в капиллярах и каналах, а также в формировании капелек. Число Вебера связывает силу поверхностного натяжения с объёмными силами. При небольших размерах силы, связанные с поверхностью, доминируют.


Число Фурье (переходный процесс при переносе тепла)

Число Фурье [Формула 3 (Рис.1)] указывает на соотношение между накопленной энергией и проведённой тепловой энергией. Оно определяет степень проникновения и распространения тепла в случае переходного процесса при переносе тепла через коэффициент теплопроводности λ, удельную теплоемкость cp и плотность ρ. Число Фурье обратно пропорционально квадрату длины L и прямо пропорционально времени. Для F0<1 тело имеет однородную температуру и переходной эффект не имеет значения. В микросистемах, тепловые актюаторы достаточно быстры для того, чтобы выполнить механическую функцию. Актюаторы макродиапазона слишком медленны из-за своей тепловой инерции.

Число Фруда (механика, конвекция, механика жидкости)

Число Фруда [Формула 4 (Рис.1)] имеет важное значение для всех динамических перемещений в гравитационном поле. Оно характеризует соотношение между инерционными силами и силами гравитации (вес) в зависимости от скорости υ, ускорения из-за силы тяжести g и масштаба длины L. При больших значениях числа Фруда эффектом силы тяжести пренебрегают, в то время как при малых значениях числа Фруда можно пренебрегать силами инерции. Так как число Фруда обратно пропорционально величине длины, эффект гравитации уменьшается при уменьшении размеров. Действительно маленькие животные и микроорганизмы используют более высокую частоту шага, чем люди или большие животные.
3. Критерии оценки микроактюаторов


Для оценки качества микроактюаторов используются следующие показатели:

·                     Линейностьопределяет линейность выходного сигнала как функцию входного. Определяется как максимальная разница между опорной линейной линией и выходом актюатора.·Выражена как процент полного выхода.

·                     Точность— насколько точно и воспроизводимо выполнена искомая активация.

·                     Погрешностьопределяет разность между реальным перемещением и целевым.

·                     Для разрешения имеется три определения:

1.                 Наименьший обеспечиваемый шаг.

2.                 Наименьшее приращение входа, приводящее к обнаружению активации.

3.                 Наименьший определяемый шаг.

·                     Воспроизводимость— отклонение выходного сигнала по циклам работы

·                     Гистерезис— это разница между выходным сигналом актюатора Y, когда Y получают в двух противоположных направлениях.

·                     Пороговое значение— начиная с нулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, которое приводит к обнаружению выходного сигнала актюатора.

·                     Холостой ход– “мертвый” ход после смены направления («b»).

·                     Шум— флуктуации (случайные изменения) в выходном сигнале с нулевым входом.

·                     Дрейф— изменение выходного сигнала актюатора (с постоянным входом) в зависимости от изменения времени, температуры и т.д.

·                     Амплитуда— полный рабочий диапазон выходного сигнала актюатора.

·                     Чувствительность— отношение изменения выходного сигнала актюатора ΔY к изменению приращения входного сигнала ΔX.

·                     Скорость— скорость, с которой изменяется выходной сигнал актюатора.

·                     Переходная характеристика— резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входной сигнал.

·                     Ранжирование— оценка для сопоставления разных методов активации: DS= -(dη/dV), где η — выход по энергии, V — объём.
    продолжение
--PAGE_BREAK--4. Трение и износ


Правила пропорциональной миниатюризации приводят к факту, что на микроуровне поверхностные силы по сравнению с объёмными имеют большее значение. Из этого следует, что для микроактюаторов трение имеет очень большое значение. Кроме того, из-за своей маленькой массы микромеханические элементы обладают малой силой инерции, что ведёт к высоким динамическим характеристикам, и следовательно они часто работают с высокой рабочей частотой и скоростью.

С одной стороны трение ведёт к потерям, которое является причиной ухудшения функционирования элементов, с другой стороны трение приводит к износу, который негативно воздействует на функциональное поведение и ведёт к ускоренному старению и, в конечном счёте, поломке компонента. Трение является ключевым фактором, который определяет не только эффективность, но и долговечность. Однако трение не всегда сопровождается износом, возможно трение и без износа.

Трение — это явление, воздействующее на поверхностный слой материала, и практически не затрагивающее объёмные характеристики. Это результат взаимодействия контактных областей поверхностей. Важные факторы, влияющие на величину трения: состояние поверхности, поверхностная топология и взаимодействующие материалы. По сравнению с традиционным машиностроением в микросистемах появляется трение твердых тел (сухое трение). Для микромоторов сила поверхностного натяжения настолько велика, что существенно влияет на их функционирование. Поэтому в качестве подшипников скольжения используют подшипники сухого трения, которые, однако, могут быть снабжены молекулярными смазочными плёнками для уменьшения трения и износа. В этом случае характеристики смазки и контактной поверхности становятся главными факторами. Характеристики материалов для смазочных плёнок молекулярной толщины изменяются. Следует заметить, что на сегодняшний день ещё не существует общепринятых методов применения молекулярных плёнок толщиной в несколько нанометров. В этом случае шероховатость поверхности имеет более высокую важность, чем толщина используемой в микросистемах плёнки, которая лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.

Классическая инженерная модель макроскопического трения имеет следующие существенные характеристики:

1.                 Сила трения зависит только от нормальной силы FN и всегда действует в направлении противоположном направлению движения.

2.                 Сила трения не зависит от величины поверхности соприкосновения.

3.                 Сила трения не зависит от скорости скольжения.

4.                 Сила трения покоя всегда больше силы трения движения.

5.                 Силы трения зависят только от двух материалов, которые скользят друг по другу.

Следующая формула, названая законом Кулона – Амонтона, выражает эти соотношения: F1=μFN, где F1и FN — это тангенциальная и нормальная составляющая силы и μ — кинетический коэффициент трения. Некоторые коэффициенты сухого трения скольжения μ для различных комбинаций материалов представлены в таблице.


материал μ материал μ
алюминий/алюминий

1,0-1,4

тефлон/сталь

0,04

никель/никель

0,53-0,8

Al2O3/Al2O3

0,4

сталь/сталь

0,42-0,57

кремний/Al2O3

0,18

алмаз/алмаз

0,1-0,15

сталь/сапфир

0,15

медь/медь

1,2-1,5

никель/вольфрам

0,3



Любая поверхность имеет неровности и поверхностную волнистость, что приводит к тому, что фактическая область контакта состоит из отдельных контактных точек. Точки контакта или неровности составляют только малую долю общей площади поверхности, зависящую от нагрузки.

Так как исключительно точки контакта вносят вклад в генерацию силы, напряжение в точках контакта соответственно высоко, и предел текучести материала σm может быть достигнут при относительно малых силах. В пределах контактных точек происходят эластичные и пластические деформации, посредством чего общая суммарная площадь контакта А становится прямо пропорциональной давлению и обратно пропорциональной пределу текучести, A=p/σm. В контактных областях силы междуатомного взаимодействия действуют между смежными участками вещества, которые противостоят касательному напряжению σs. В этом случае силы трения переносятся только в область контакта. Таким образом, сила трения становится пропорциональной фактической площади контакта, и коэффициент трения находится по формуле μ=σs/σm. Эта модель даёт возможность объяснить трение Кулона, так как трение становится пропорциональным нагрузке, и не зависит от кажущейся площади. Сумма точек области находящихся в реальном контакте возрастает с увеличением нагрузки, из-за вовлечения большей области в адгезионное взаимодействие деформацией. Модель также объясняет, почему различные поверхности материалов имеют различный коэффициент трения — атомные поверхности имеют разные межмолекулярные связи. Некоторые применения этой идеи могут подтвердить вывод о том, что грубые поверхности могут иметь меньшее трение, чем очень хорошо отполированные, поскольку большая часть поверхности находится в контакте. Главная роль смазки — держать поверхности раздельно.

Износ, который сопровождает трение, отчасти можно представить в виде следующей картины. Внутри точек контакта происходит сильная нагрузка на материал, которая приводит к пластическим деформациям с одной стороны и с другой стороны, из-за слипания точек контакта, к формированию трещин на поверхности контактирующего материала и в результате к необратимым изменениям. Для износа характерны следующие механизмы:

·                     Адгезия (слипание)

·                     Абразивный износ (стирание)

·                     Эрозия из-за разрыва оксидных покрытий

·                     Усталость.

Вследствие адгезии может осуществляться перенос вещества между точками контакта и происходить искажение кристаллической решетки. Силы адгезии увеличиваются для веществ, которые имеют большее взаимное адгезивное сходство или химическую растворимость, создавая больший износ при контакте похожих поверхностей, чем при разнородных. Идеальным для предотвращения трения является материал, который сопротивляется образованию химических связей со множеством других материалов. Эта химическая инертность найдена в некоторых материалах, таких как тефлон. На атомном уровне было определено, что сухое трение иногда меньше, чем жидкое, потому что жидкость предоставляет больший фактический контакт между поверхностью и жидкостью, что приводит к гораздо большему адгезионному трению. Текстурирование может быть прежде всего использовано для уменьшения стикции (слипания) и трения покоя, так как более нерегулярные поверхности имеют меньшую стикцию. Текстурирование также может оказывать некоторую помощь смазочному материалу.

    продолжение
--PAGE_BREAK--5.Различные типы микроактюаторов Преобразование энергии
Цель микроактивации — это получение силы, которая могла бы производить механическое перемещение. Следовательно, разные принципы получения активации могут быть оценены согласно их работоспособности, т.е. возможности использования механической энергии. По сравнению с электромагнитным преобразованием энергии, которое преобладает в традиционной инженерии двигательных механизмов, в микроактивации можно использовать множество разнообразных принципов, которые не имело смысла использовать по функциональным или по ценовым характеристикам в макротехнологии.

Начнём с фундаментального отношения: изменение накопленной энергии системы W является причиной появления силы F:

[Формула 5 (Рис.1)]

Если запас энергии изменяется между двумя состояниями W1 и W2, мы получаем:

[Формула 6 (Рис.1)]

Если в дальнейшем предположить, что одно из двух состояний энергии равно нулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной накопленной энергии: F ~ W.

По этой причине, накопленная энергия и/или плотность энергии имеет ключевое значение для оценки работоспособности любого актюатора. Так как любое преобразование энергии связано с потерями, то и работоспособность также пропорциональна коэффициенту полезного действия η, с которым одна форма энергии может быть преобразована в другую. Мощность и работоспособность системы характеризуется также временем, которое необходимо для получения и израсходывания запаса энергии. Этот временной интервал может быть оценен по временной константе, которая является характерной для конкретного принципа активации. Решение, какой принцип активации использовать, должно приниматься, учитывая достижимую плотность энергии, скорость изменения состояния (временная константа τ) и эффективность использования энергии η. В зависимости от этих величин мощность системы можно выразить следующим образом:

[Формула 7 (Рис.1)]

Следует заметить, что запас энергии увеличивается с увеличением объёма, таким образом, мы имеем третью степень величины, которая характеризует размер λ, (например, м3) а когда мы имеем дело с силой, то у нас вторая степень (м2). Однако, так как в некоторых важных случаях достижимая плотность энергии также зависит от размера, то эта зависимость — третья степень величины характеризующей размер — не всегда правильна. Для микросистем это приводит к такому важному факту: станут привлекательными для использования те принципы преобразования энергии, которые не соответствуют макродиапазону. Вообще связь между силой и величиной характеризующей размер может быть описана соотношением F~λn. Типичные значения показателя степени n для разных принципов преобразования энергии сведены в таблице.


Эффект Плотность энергии [Вт*с/м3] Пересчёт силы F~λn с n= Константа времени <img width=«6» height=«6» src=«ref-1_1614687204-73.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">[мс] КПД η
Пьезоэлектрический

2 ·105

2

<< <img width=«6» height=«6» src=«ref-1_1614687204-73.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">мех

0,3

Электромагнитный

105

от 2 до 4

<< <img width=«6» height=«6» src=«ref-1_1614687204-73.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">мех

<0,01

Электростатический

104

2

<< <img width=«6» height=«6» src=«ref-1_1614687204-73.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">мех

0,5

Биметаллический

106

2

<50

10-4

Термопневматический

<5 ·105

2

10

0,1

Сплавов, запоминающих форму

3,5 ·105

2

<50

0,01



Перечисленные принципы отличаются по достижимой плотности энергии, временной константе, и по выходу энергии. Эти соотношения определяют достижимую силу и плотность энергии. Типичная плотность энергии для основных принципов преобразования, используемых сегодня, лежит внутри диапазона w=105-106Вт*с/м3. Однако, так как быстродействие, выраженное через временную константу, отличается сильно, то плотность энергии w/<img width=«3» height=«6» src=«ref-1_1614687496-73.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030"> изменяется в более широком диапазоне, от 10-6-100Вт/см3. Гидравлические и пневматические актюаторы достигают самой высокой плотности энергии, можно даже сказать, что не существует в микродиапазоне актюаторов с более высокой плотностью энергии. Годную к использованию механическую энергию получаем из произведения плотности энергии и коэффициента полезного действия. Эффективность (КПД) зависит от принципа действия и размера, следовательно, в микродиапазоне некоторые принципы активации имеют одинаковую работоспособность.
    продолжение
--PAGE_BREAK--6. Электростатические актюаторы


Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана по формуле [Формула 8 (Рис.1)], где C-ёмкость и V-напряжение между обкладками конденсатора.

Когда пластины конденсатора перемещаются навстречу друг другу, работа, совершаемая силой взаимодействия между ними, может быть рассчитана, как изменение Uв зависимости от изменения расстояния (x). Сила рассчитывается по формуле [Формула 9 (Рис.1)]

Существует несколько вариантов реализации электростатических актюаторов на основе плоскопараллельных конденсаторов:

Однако для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работу такого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей (рис.2).


<img width=«396» height=«278» src=«ref-1_1614687569-20117.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031">

Рис. 2


Гребневые микродвигателисостоят из большого количества встречностержневых штырей (рис. 2). При приложении напряжения, появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большое количество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то, что если поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (или если устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом. Гребневые двигатели особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой.

Двигатели каченияназваны так по действию раскачивания, положенному в основу их принципа работы. На рис. 3 (a, b) показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной микрообработки. Ротор — это круглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно, друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборот вокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.
<img width=«368» height=«261» src=«ref-1_1614707686-29406.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">

Рис. 3
Другая конструкция двигателя качения представлена на рис 4. Ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.Проблемы могут возникнуть, если быстро износится изоляция на электродах статора, если произойдёт сцепление или слипание с ротором, если ротор и подшипник не круглые.
<img width=«240» height=«210» src=«ref-1_1614737092-22559.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033">

Рис. 4


Проблема моторов полученных поверхностной микрообработкой — это их очень маленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого изменения ёмкости при движении ротора. Для преодоления этих проблем можно использовать LIGA технологию. Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 3(c,d) — здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора.

1) Преимущества:

·                     выгодность пропорционального уменьшения размеров

·                     лёгкость миниатюризации

2) Недостатки

·                     для большинства электростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут быть причиной поломки вследствие малых воздушных зазоров

·                     высокое напряжение

·                     для двигателей вращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения.
7. Магнитные актюаторы


Прежде всего, следует сказать, что довольно часто микроустройства изготавливают при помощи гальванотехники, используя никель (это особенно характерно для LIGA технологии). А так как никель это ферромагнитный материал, то это стало первопричиной появления магнитных актюаторов.

Основным компонентом большинства актюаторов этого типа является тонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Как структурные пластины, так и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизм активации проиллюстрирован на рис 8. Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурная пластина параллельна плоскости подложки. Когда внешнее магнитное поле Hвнеш, приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует с Hвнеш. Взаимодействие создаёт вращающий момент (Ммаг) и небольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этом заставляя её изгибаться.

При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения Мнас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две компоненты силы. Величина обоих, как F1(которая действует на верхнюю грань), так и F2 (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается следующим образом:
F1 = МнасЧWЧTЧH1

F2= МнасЧWЧTЧH2,
где H1и H2 напряжённость магнитного поля на верхней и нижней грани пластины (в текущей конфигурации H1 < H2). Величина H1и H2 линейно зависит от соответствующего расстояния до поверхности электромагнитного источника. Пластина вместе с пермаллоевым участком рассматривается как твёрдое тело так как она существенно толще консольной балки. Основываясь на этом предположении систему сил, упрощают, перемещая F1до совмещения с F2. Результатом является вращающий момент, действующий против часовой стрелки и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань структурной пластины. Этот результат можно представить как:


Ммаг= F1ЧLЧcosθ

F = F2 — F1
Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию в системе актюатора, выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнего магнитного поля.

Фотография магнитного микроактюатора, полученная на сканирующем электронном микроскопе, представлена на рис. 5.
<img width=«172» height=«208» src=«ref-1_1614759651-9311.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">

Рис. 5
Примером магнитного микроактюатора другой конструкции может служить линейный мотор, показанный на рис 6. Магнит, расположенный в канале, движется взад-вперёд при переключении тока в обмотках, то с одной, то с другой стороны канала.
<img width=«267» height=«148» src=«ref-1_1614768962-10109.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">

Рис. 6


Общая проблема, связанная с магнитными актюаторами, заключается в том, что обмотки двумерны (трёхмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне). Вдобавок ограничен выбор магнитного материала — выбираются только те материалы, которые легко обработать на микроуровне, и получается, что не всегда материал магнита выбирается оптимально. Во многом из-за этого магнитные актюаторы потребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла. Следует отметить, что для изготовления микроскопических компонентов (размером до нескольких миллиметров) электростатические устройства обычно выгоднее магнитных, однако при более больших размерах магнитные устройства превосходят электростатические.


    продолжение
--PAGE_BREAK--8. Пьезоэлектрические актюаторы


В основе теории пьезоэлектрических актюаторовлежит прямой пьезоэлектрический эффект — появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях некоторых кристаллов при их механических деформациях: сжатии, растяжении и т.п и обратный пьезоэлектрический эффект — состоит в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля. Основная формула для прямого эффекта:

[Формула 10 (Рис.1)],

для обратного:

[Формула 11 (Рис.1)],

где Di — вектор электрического смещения, Ej- напряжённость электрического поля, Ek- относительная деформация, σk- механическое напряжение. Основными параметрами являются: dik — пьезоэлектрические коэффициенты, Sik- коэффициенты упругой деформации, коэффициенты диэлектрической проницаемости Eik.

На рис. 7 показано два простых примера, демонстрирующих принцип действия пьезоэлектричекских актюаторов. На рис. 7-а слой пьезоэлектрика осаждён на балку. При приложении напряжения балка изгибается. Такой же принцип можно применить и с тонкой кремниевой мембраной (рис. 7-b). Если приложить напряжение, мембрана деформируется.
<img width=«255» height=«174» src=«ref-1_1614779071-7250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">

Рис. 7а
<img width=«261» height=«156» src=«ref-1_1614786321-6548.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">

Рис. 7б

Наибольшую популярность имеют следующие конструкции пьезоэлектрических Микроактюаторов (Рис. 8).


<img width=«394» height=«681» src=«ref-1_1614792869-62128.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038">
Рис. 8 9. Гидравлические актюаторы


Гидравлические микроактюаторы имеют значительный потенциал, так как они могут передавать довольно много энергии от внешнего источника по очень узким трубкам. Это факт можно использовать в таких местах как наконечник катетера, смонтированного микрохирургического инструмента.

Для производства микротурбин может использоваться LIGA технология (рис. 9). Эта микротурбина обеспечивает энергией режущий микроинструмент.
<img border=«0» width=«238» height=«144» src=«ref-1_1614854997-10882.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">

Рис. 9
К особенностям гидравлических микроактюаторов можно отнести то, что он имеет довольно большие размеры, высокий уровень выходных сил и может иметь крайне низкое трение.
10. Тепловые актюаторы


Тепловые актюаторы используют как линейное или объёмное расширение жидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта, которые имеют место благодаря изменению температуры. Рассмотрим биметаллический актюатор. На рис. 10 мы видим балку из одного материала (кремний), и слой из другого материала (алюминий). Коэффициент теплового расширения у них разный. При нагревании, один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить, пропуская через это устройство электрический ток.


<img border=«0» width=«399» height=«138» src=«ref-1_1614865879-11525.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040"> 

Рис. 10
Тепловые актюаторы могут создавать относительно большие силы, но нет конструкции которая бы позволяла это сделать с позиции эффективного использования энергии. Результат улучшается при увеличении разницы между коэффициентами теплового расширения и при большом изменении температуры, однако достигаемое КПД всё равно остаётся относительно маленьким. Газы и жидкости имеют намного больший коэффициент теплового расширения, чем твёрдые тела, и это можно использовать в термопневматических микроактюаторах. На рис. 11 показан резонатор, внутри которого находится жидкость, с тонкой мембраной в роли нижней стенки. Через нагревательный элемент (резистор) пропускается ток. Жидкость нагревается и начинает расширяться, деформируя мембрану.
 <img border=«0» width=«402» height=«213» src=«ref-1_1614877404-19402.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041">

Рис. 11


Преимущества тепловых микроактюаторов:

1.                 Простая конструкция, рабочими элементами являются резистор нагрева и для использования биметаллического эффекта плёночная структура.

2.                 Подходящий размер, лежащий в микродиапазоне.

3.                 В качестве активных элементов применимы почти любые материалы, которые кроме различных коэффициентов расширения должны обладать достаточной прочностью. Обычно в качестве нагревателя используются резисторы извилистой формы, которые можно легко изготовить с использованием тонко- или толстоплёночной технологии.

Недостатки:

1.                 В настоящее время нагревательный элемент потребляет очень много энергии для того, чтобы тепловой актюатор смог развить относительно большую силу, т.е. у тепловых актюаторов невысокий КПД.

2.                 Нагревательный элемент необходимо охлаждать, чтобы вернуть актюатор в исходное положение, а значит тепло должно быть рассеяно в окружающую среду. Это естественно занимает некоторое количество времени и ограничивает быстродействие.
    продолжение
--PAGE_BREAK--11. Изготовление МЭМС Проектирование микросистем
Так как проектирование МЭМС почти на всех своих фазах автоматизировано, то сосредоточим своё внимание на методологиях, алгоритмах, методах описания и моделирования, используемых при автоматизированном проектировании. Всё вышеуказанное объединяется в ёмкое понятие CAE — Computer AidedEngineering. Специфические характеристики и различия между проектированием, производством и применением микросистем по сравнению с традиционными (макро) реализациями вытекают из их размеров.

Микросистемная технология непригодна для производства опытных образцов. Если схема производства для массового производства по групповой технологии нарушается, то это влечёт за собой дополнительные расходы. Поэтому производство опытного образца следует избегать настолько, насколько это возможно. Кроме высокой стоимости производства опытного образца для выполнения производственного цикла требуется очень большое количество времени. В зависимости от сложности, цикл занимает несколько дней, недель или даже полгода. За то же самое время огромное количество вариантов конструкции может быть проверено при помощи моделирования.

Проектирование включает в себя высокую ценовую ответственность за каждый следующий шаг в жизненном цикле изделия. В типичном цикле изделия:

·                     Планирование проекта;

·                     Проектирование;

·                     Производство;

·                     Сбыт;

·                     Сервисное обслуживание;

·                     Утилизация, проектирование существенно влияет на стоимость следующих шагов, хотя прямые издержки на проектирование относительно малы. Обычно издержки на проектирование это 10 % от общей стоимости, хотя оно несёт ответственность за 70-80% общей стоимости.

В отличие от традиционных систем, возможность ремонта микросистем и особенно интегральных схем очень ограничена. Таким образом, главная цель при разработке состоит в том, чтобы получить полностью функционирующую систему в первой же реализации. Хотя типичная интенсивность отказов относительно высока (около 10%), контролируемость системы также является важной задачей при проектировании.

На сегодняшний день микросистемы состоят из отдельных компонентов, таких как сенсоры и актюаторы, которые интегрированы и упакованы вместе с управляющей и вычислительной электроникой. МЭМС отличаются разнообразием применений. Для проектирования, таким образом, возникает вопрос, в какой степени отдельные этапы проектирования могут быть стандартизированы и автоматизированы. Не все шаги могут быть автоматизированы одинаково. В особенности концептуальное проектирование и разработка принципов действия, которые основаны на творческой способности разработчика и, следовательно, не могут быть стандартизированы. А творческую способность можно только в небольшой степени поддержать средой проектирования.
12. Материалы для МЭМС


При создании микросистем, фактически, выделяют две группы материалов:

1. Конструкционные (стекло, монокристаллический, поликристаллический, пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, полиимид, вольфрам, никель, медь, золото, алмазо-подобный углерод), использующиеся для формирования:

·                несущих конструкций;

·                токоразводки;

·                смазки.

2. «Активные умные» (никель/титан, пермаллой, кварц, окись цинка, пьезокерамика, материалы группы A3B5, А4В6), выполняющие за счет электростатических, электромеханических, пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формы функции:

·                источников движения;

·                механизмов передачи движения;

·                сенсорных и активирующих сред.

При создании микросистем различного функционального назначения на основе композиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры:

·                     кристаллохимическая совместимость;

·                     термомеханическая совместимость;

·                     тепловая стойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точку Кюри, а для полупроводников и температуру перехода в состояние, когда концентрация собственных носителей заряда близка к примесной; способность вещества отдавать энергию в окружающую среду за счет теплопроводности, а при высоких температурах и за счет теплоизлучения);

·                     электрическая стойкость;

·                     механическая стойкость;

·                     механическая усталость.

Мировой опыт изготовления MEMSоснован на широком использовании кремния – дешевого и доступного материала. Однако технологий кремниевой микромеханики и обработки информации на кремнии (КМОП-схемы), недостаточно для успешного развития МЭМС. Поэтому большое значение имеют системы, в которых наряду с кремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика, металлы.

В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовые кремниевых микротехнологий в настоящее время господствует структура «кремний на диоксиде кремния». Учитывая тот факт, что микросистемы представляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетания совокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей их функционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), несомненный интерес в качестве базовой материаловедческой среды представляет композиция «карбид кремния на нитриде алюминия». Данная композиция сочетает в себе два широкозонных материала, один из которых – нитрид алюминия – является ярко выраженным диэлектриком (6,2 эВ) и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами, а другой – карбид кремния (3,0 эВ) – широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе в ультрафиолетовой области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуру Дебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим, химическим, радиационным).
    продолжение
--PAGE_BREAK--