Учебное пособие Харьков 014 удк

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. 

жүктеу/скачать 23,07 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: