5.9 Микромехатронные устройства
Одним из направлений развития и совершенствования техники
является интеграция и миниатюризация оборудования. Примером
этому являются электромеханика и мехатроника. Интеграция на кри-
сталле элементов электроники, механики, информатики и измери-
тельной техники привела к объединению этих технологий в конце
80-х – начале 90-х годов и созданию микросистемной техники и
появлению микромехатронных устройств.
По размерам изделия разной степени миниатюризации принято
классифицировать следующим образом:
– электромеханика и мехатроника –
> 1 мм;
– микросистемная техника или микромехатронные системы –
1÷1000 мкм;
– наноэлектромеханические системы и нанотехнологии –
1÷100 нм.
Микромехатронные устройства могут быть определены как
множество микроустройств разнообразных конструкций и назначе-
ния, производимых сходными методами с использованием модифи-
цированных групповых технологических приемов микроэлектро-
ники. В литературе для их обозначения также используется термин
микроэлектромеханические системы (МЭМС).
188
Благодаря малым размерам микромехатронные устройства при-
обретают уникальные свойства, не характерные для макроскопи-
ческих объектов в силу более высокого отношения площади поверх-
ности к объему: повышенную чувствительность к статическому
(поверхностному) электричеству и смачиваемость (действие сил
поверхностного натяжения). Характерной их особенностью является
синергетическое (взаимоусиливающее положительные свойства) вза-
имодействие электрических и механических связей.
Общая структура микромехатронного устройства идентична
классической разомкнутой, при этом является интегрированной,
включает в себя чувствительные элементы (датчики информации или
сенсоры), каналы передачи энергии и информации, управляющие
устройства, исполнительные механизмы (двигатели или актюаторы)
и представлена на рис. 5.37.
Схема
управления
и обработки
сигнала
Актюатор
Сенсор
Выходной
сигнал
(управляемое
движение)
Входной
сигнал
(воздействие)
Рис. 5.37. Общая структура микромехатронного устройства
Типы датчиков: емкостные, пьезоэлектрические, тензорезистив-
ные, терморезистивные, фотоэлектрические, на эффекте Холла.
Типы актюаторов: электростатические, термоэлектрические,
пьезоэлектрические, гидравлические, пневматические, электромаг-
нитные.
К микромехатронным устройствам относятся полупроводниковые
датчики давления, микрофоны, акселерометры и гироскопы (датчики
движения, активно используются в качестве чувствительных элементов
при срабатывании подушек безопасности автомобилей, в антибло-
кировочных системах тормозов, планшетах, смартфонах).
Робота наиболее распространенных датчиков давления, дви-
жения основана на конденсаторном принципе (рис. 5.38 а) или
пьезоэффекте (рис. 5.38 б). Подвижная часть системы – груз на
подвесах. При наличии ускорения груз смещается относительно
неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикреп-
ленная к грузу, смещается относительно обкладки на неподвижной
части. Изменение емкости пропорционально ускорению. В пьезоуст-
189
ройстве происходит давление грузика на пьезокристалл. Потенциал,
вызванный деформацией пьезоэлемента, пропорционален ускорению.
а б
Рис. 5.38. Принцип работы емкостного (а)
и пьезокристаллического (б) акселерометра
Внешний вид и конструкция механической части емкостного
одноканального акселерометра приведены на рис. 5.39.
Рис. 5.39. Внешний вид и конструкция механической части
емкостного акселерометра
Конструкция гироскопов (основа навигационных измерителей,
систем стабилизации изображений) аналогична акселерометрам, но в
них значения ускорений по осям пересчитываются в угловые
190
скорости. Распространены конструкции чувствительных элементов
гироскопов, воспринимающих вращательное движение. Конструкция
механической части такого гироскопа и внешний вид трехосного
акселерометра на кремниевой основе с интегрированными интер-
фейсом и системой управления приведены на рис. 5.40.
Рис. 5.40. Конструкция механической части гироскопа вращения
и внешний вид трехосного акселерометра
Примером микромехатронных устройств с исполнительными
механизмами являются проекторы (DLP – Digital Light Processing) на
основе цифровых микрозеркальных устройств (DMD – Digital
Micromirror Device), представляющих собой матрицу микрозеркал,
количество элементов в которой равно разрешению итогового
устройства (разработка компании Texas Instruments). Например, для
разрешения 1920
× 1080 – более 2 миллионов. Каждое микрозеркало
представляет собой алюминиевую пластину размером порядка
10
× 10 мкм (рис. 5.41).
Микрозеркало (рис. 5.42) размещено на площадке, которая
прикреплена к более тонкой и более гибкой, чем прочие детали
системы, полоске (подвесу), натянутой между опорами. В двух
других углах основания, расположены электроды, которые за счет
кулоновских сил могут притягивать один из краев зеркала. Таким
образом, зеркало может отклоняться в обе стороны на угол до
12 градусов.
191
Рис. 5.41. Фрагмент матрицы микрозеркал
Рис. 5.42. Конструкция микрозеркального устройства
192
В одном из положений (рис. 5.43) зеркало отражает падающий
на него свет в сторону линзы и далее на экран. В другом положении
направляет световой поток в сторону, на теплоотвод. В первом
случае на экране получается белая точка, во втором – черная. В
результате работы всей матрицы создается изображение. Среднее
положение зеркала занимают в состоянии, когда проектор выключен.
Высокая частота колебаний зеркала (несколько килогерц) позволяет
обеспечить до 1024 градаций серого. Для добавления к изображению
цветовой составляющей используется колесо со светофильтрами.
Рис. 5.43. Работа фрагмента микрозеркального устройства
Оптические микромехатронные устройства применяются для
компенсации искажений в телескопах и микроскопах (адаптивные
оптические системы – зеркала с изменяемой геометрией), а также в
системах коммутации оптоволоконных сетей.
Другая область использования микромехатронных устройств –
печатающие головки струйных принтеров. Современные принтеры
оперируют с каплями краски объемом порядка пиколитра (10
-12
л).
Печатающая головка представляет собой массив из множества
микроотверстий. Под отверстиями – миниатюрные полости, в
которые чернила поступают из основного резервуара картриджа.
Сами собой чернила через дюзы не выливаются: диаметр отверстий
настолько мал, что сила поверхностного натяжения не дает жидкости
вытечь наружу. Краску необходимо выдавить принудительно. Для
этого в микрополости (рис. 5.44 а) размещают пьезоэлемент, к
которому прикладывается напряжение, вследствие чего кристалл
193
увеличивается в объеме и толкает мембрану, выталкивающую краску
наружу. Такой метод использует компания Epson.
а б
Рис. 5.44. Конструкции печатающих головок струйных принтеров
Более распространенный подход, который практикуют компа-
нии HP, Canon и Lexmark: термоструйная печать. В полости разме-
щается нагревательный элемент (рис. 5.44 б), который мгновенно
нагревает чернила до очень высокой температуры. Жидкость вски-
пает, увеличивается в объеме и выплескивается из полости на
поверхность.
Технологии струйной печати также пригодны для изготовления
объемных структур и используются в 3D-принтерах.
К области энергетики можно отнести разработку Массачусетс-
кого технологического института – микротурбину (рис. 5.45),
разрабатываемую для замены литий-полимерных аккумуляторов для
приложений, где требуется достичь минимальных размеров и макси-
мальной удельной энергоемкости (до 500-700 Вт
⋅ч/кг). Свойство
обратимости микротурбины при доработке позволяет использовать
ее в режиме насоса (рис. 5.45).
194
Рис. 5.45. Микротурбина и микронасос
Известен миниатюрный летательный аппарат с параметрами:
масса – 80 г; размах крыльев – 15 см; высота полета – 230 м; скорость
70 км/час; время полета – 30 мин; радиус действия – 1,8 км; КПД
двигателя – 82%; две видеокамеры весом 2 г; передача изображений
до 2 км.
Самый миниатюрный подводный аппарат серии MicroHunter с
дальностью действия 30 км, имеет длину 5 см и массу 5 г. Их сис-
темы управления обеспечивают эффективное применение достаточно
большой группировки (более 50 микроаппаратов) для решения задач
сбора трехмерной информации о подводных объектах.
Технологической базой микромехатронных устройств являются
технологии микроэлектроники с возможностью создания трехмерных
структур. При этом в традиционной полупроводниковой технологии
кремниевая подложка используется еще и в качестве конструкци-
онного материала для механических узлов.
Особенность микрокомпонент состоит в чрезвычайно малых
расстояниях между проводниками, в необходимости тщательного
учета механических и электрофизических свойств используемых
материалов, в теснейшей связи трехмерной конструкции с техноло-
гическими возможностями ее изготовления, в необходимости учета
множества параметров электродинамического взаимодействия близ-
ко расположенных узлов и проводников. Поэтому при их проектиро-
вании и моделировании велика роль специализированного програм-
много обеспечения.
Наиболее известные программные пакеты проектирования микро-
мехатронных устройств (COVENTOR, VeloceRF, ANSYS, SUGAR,
FEMLAB, Momentum ADS, CST Microwave Studio) поддерживают ана-
195
лиз электростатических эффектов в двух- и трехмерной неоднородной
среде с потерями, расчет термомеханических параметров и переходных
процессов с учетом гистерезиса, тепловых деформаций, упругих
эффектов; эффектов, связанных с упаковкой изделия в корпус; а также
трехмерный электродинамический анализ полей в неоднородной среде
с потерями. В пакеты обычно входит модуль разработки структурных и
принципиальных схем, а также типовых радиоэлементов. Необходимы
также библиотеки параметров материалов; редакторы послойного
описания топологии двумерных подсистем и объединения их в
трехмерную структуру; модуль визуализации результатов.
Микросистемная техника развивается на стыке множества
отраслей науки и техники. Для оценки состояния и перспектив раз-
вития микромехатронных устройств и систем используется коэффи-
циент K
тм
, позволяющий оценить уровень их интеграции, и представ-
ляющий собой произведение числа транзисторов – Т в изделии на
число механических компонент – M. Для серийно выпускаемого
акселерометра, изготавливаемого по технологии с топологическими
нормами 2…10 мкм (содержащего 100…200 транзисторов и 1 механи-
ческий элемент), получим K
тм
= 10
2
; а для динамического управления
поверхностью экрана дисплея (содержащего 1 млн. механических
элементов экрана и 1 млн. управляющих транзисторов) K
тм
=10
12
. В
соответствии с этим критерием перспективными являются движущиеся
системы, устройства памяти объемом 1 Тб/см
2
, оптомеханические
дисплеи, системы распределенного управления конструкциями и др.
Достарыңызбен бөлісу: |