CC BY
72
УДК 6213.032.212
М И К PC Э Л F КТ PC М F X АН И Ч F С К И F CHCTFIH i R ЭЛFKTPO^HFPrFTHKF
А. И. Одннеи. JI. Д. Федорова. Д В. Федоров
Ourjcuii У1м:у)чгя:гп жн иы ñ ттчиччстнунинкрситкт, О vi:.к, Рагтпк
Лнротаиня - В работе привезены обзор п лнллиз микроэлектрамехлнпческих систем, сделаны выводы ii 11[111>1ьннн1и1 fllHHKU уп {ШИП к к íiií>kiihmni>{iikiiiki>. Р:нг\ми jiphm -lipki jhk-i л i ичнкнн. мининым, тепловой, пьезоэлектрический. гидравлический н пневматический акпоаторы. Разработанные акпоаторы применяются на современные высокотехнологичные производствах, способствуя значительному по-
ККИПРНИШ «ффию IIKHIir I ii И ||[1|||| (НИ III I P.lhHUCI II III-CJ V.llllVlHH I Г I и hi IKK" ii и ИГШИкЧИКИНИМ, KIHMUAHIHI
быстрой регулировки параметров, простоты управления, высокой точности, многократного меньшего энергопотребления.
Ключевые слова; мнкроэлектромеханпческие системы, электростатический, магнитный, тепловой, пьезоэлектрический, гидравлический и пневматический актюлторы.
Наиболее быстро растущей частью минроэлектроппои отрасли шестого техполоппеского уклада становится рынок микроэлеюромеханических систем (МЭМС). МЭМС-технологии - наиболее перспективное направление микроэлектроники. позволяющее реализозывать электронные устройства, выполненные на огнем кристалле. МЭМС -технологии считается одной из основных технологии, позволяющих совершенствовать технические характеристики систем и расширять их функциональные возможности. Данные технологии и системы исследуют как зарубежные, так н отечественные специалисты, среди которых можно отмстить Ьарннова И.. Ьслоза Я., Сысоеву С и др. [1-9].
Пр¥г\ггнгннг МПМС-тгхнологитт гочяолягт плнмглтъ уронгнь ннтггрлгхии умгкъ-ии-к глблриты упройгт». улучпють их характеристики. МЭМС технология открывает новые перспективы при создашп] радноэлекгрои ной ¿мшара. уры новою поколение. В чаанисш, icxho.jo. h4 МЭМС ио4ко_ш1 сонсршенсиюьа 1Ь кгхннчеиьие характеристики скетсм электроэнергетики и расширять их ф>нкпкональныс возможности
Аппаратура управления и контроля электроэнергетических систем включает в себя датчики температуры. ,Тйклгни1 киорлдитт л иеттглктгтглътгчтг угтройгпи со.тгржлт коммутаторы, ргпс ттргдгхрлтггггтт мнкрллкткм-тсры и др. 3 современных элеюроснергетнческих системах микроакпозторы устанавливаются с блоки реле!: нон ¿¿ицм1ы, которые иьшо.ши1 роль шгр?1ииоча1г.1АЬЫх усчройли. Класс радии часюгний аннлрахуры МЭМС включает: пассивные компоненты (индуктивности. ключи): схемотехнические узлы (фильтры, генераторы): активные устройства (переключательные матрицы) И-91. Тенденция! развития МЭМС является переход к со
.члинкю схемы н-1 крипг111.1Р к к-и-.уу митхжинпм корпусе Лк:6ой учел рм,|И11чап1Л>1ых МЭМС елдгрлш ипнп-
тор мнкрпмгхпншм, преобразующий управляющий сигнал в движение.
Стремительное развитие МЭМС основано на разработке и производстве различных миниатюрных датчиков, микродвигателей н преобразователен Внедрение технологии М_)МС позволяет значительно уменьшить массово-геометрические характеристики, энергопотребление и стоимость датчиков, что обеспечивает расширение
("фгрь! ||])имс*нгни<4 мик]мх:и('1гмм>й 1рхники [7]
В России развитие МЭМС находится па недостаточно высоком уровне. В спязи с этим Правительством Рос енн было поручено всем заинтересованным ведомствах! обеспечить реализацию Программы развития наноин-дусгрии Российской Федерации до 201Ь года. 13 рамках этой программы в 2У0У году группа российских предприятий начала совместную работу пс созданию ассоциации, которая спустя гсд была официально оарегнетрн роваиа как «Русская ассоциация МЭМС».
1 лавней целью ассоциации является образование в России единого информационного пространства по тематике МЭМС. которое мсгло бы обеспечить эффективный информационный обмен, как между внутренними, тлк и с кнгтт-нк-.от плртнгрл\ги ЛССГТТИЛТТИИ Игшлжитикир тгон I ли и ж ргсгиттггих ттроилвгдителей МГУМС г инп-страппшш партнерами позволит увеличить долю российской элекгрогапш как па зарубежном. так и на россин ском рынке, нш очень ль&ми ыьши.шених поручений Прльи1ельс:в1- РФ н сфере имсоую^-мелцсьил.
А'усская пссоинапня МЭМС предложила коннспиию по развитию производства современных МЭМС-изделий. Становление системы разработки и производства МЭМС предлагается осуществлять поэтапно [5]. ГУглшл рптонптп отг^гггкгнттътх МГ)МП" рл^р^бопгл и модширошниг: ичготгклгниг прототкпои \1DMC-взделнй: подтверждение характеристик иротстипсв МЭМС-изделий; организация мелкоеернннего производства: организация производства: тестирование и испытание.
С точки зрения ассоциации, реализация указанных этапов позеолнт создать в России основу хтя дальнейшего разонтия отечественной микр о системной индустрии н постепешю перейти к полиоцешюму циклу серийного фПИЧКПДГГКЛ МЭМС
Русская ассоциация МЭМС уетаиовнлп партнсрскнс отношения с рядом ведущих российских и зарубежных разработчиков-производителей МЭМС-датчиков различного назначения. Это дает возможность организовывать з России работу по следующим направлениям:
- выработка рекомендаций для заказчиков по применению сенсоров зар\-бежных фирм при производстве ¿ХКЧ'ИЙС ких сигма,
- поставка МЭМС-дагчиков:
- проведение программы испытаний приборов в сертификационных центрах:
- обучение ¡ипиялистк российских пргдмрим 1ий и ,щ»
Для быстрого продвижешхя МЭМС устройств па рынок существует немало препятствий. Прежде всего, это
фоГкИГМЫ, гкнханныг Г 1К К11ГНИГМ ИХ МЖ ПШП) 11}»№К|)11(1КИ Сш^КГМГННМГ МЭМС МП^фМГ С.ф(1рМИ[Х)НИНК1 НУ
одной подложке, (датчики, аюпоаторы, устройства управления), как правило, имеют трехмерную структуру Для их производства ЗГЧЛСТуЮ необходимо совершенно новое ПрСМЫШЛСННОС. КОНТрСЛЬЕО-НЗМСрНТСЛЬНОС otx>-руДЧКЛНИГ л 1Й»1*Г СОКрГМГНННК* MCTD.'IM К(1}111уГИ|Х)К<1НИМ Рип»<прим ИГ<[ГШ[1К1С* р-Г-фиЙоГЧН К (lGji/M~l и МЭМГ [10.11].
Микроактюатор это устройство, изготовленное по технологии МЭМС. которое прсосразовываст энергию к ущккляпиог ..-1КИЖГНИГ Они иримгьнкш» к рлГмтпгхник- к yi р;1н.:1ны111ич ус ]к»йс . к.-1>. н когмичгчной ofi.ia-стп в бномедпщше. дозиметрии, а тмерптельиых прибора автсмобнлестроешш. Лктюатор - содержит кпп: ромехализм. прсобрагутошнй управляющий сигнал в движение. якорь - закрепленную на одном конце консоль (балку. кашнлевер) н недвижное коромысло (иди мембрану). Существуют электростатические, магнитные, пьезоэлектрические. гидравлические и тепловые акпоагоры
Электростатические актюаторы наиболее широко используются и отличаются малым временем изменения состояния (обычно I<3— 1 DO мхе), практически нулевым (благодаря механическому гистерезису) энергопотреблением при удержании его в выбранном положении. 1 лавные сто недостатки высокое напряжение гопа-НИИ (40Ч|ПВ), НГмПхИДИМРГ .IUI5I уПраКЛГЧИЧ пгргмпцгнигси УЮ]1'1 (кик 11]ЫКК:И) киншлгкгри), МИЛ¡Ы И-СНОГО-етонкость и возможность залипакия в крайних положениях. Для уменьшения ^иравляюшего напряжения до 10-15 Б применяют многоступенчатые электростатические актюаторы или встраиваемые мнкроэлсктрснныс преобразователи напряженка
Существует несколько вариантов реалнзадпл электростатических акгтоаторов па основе плое:<опараллель нктх кпндгнглторо* Джи ггнгрлч^т оолыттих гил v.-ггорыг будут сгвгртглть голглчуто рлооту такого угтргйгтпл необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись емкости. Это положение лежит в основе электростатических гребневых мл кроле пгателей На рис. I изображен гребпеэый мш<родвигатель в исходпом
положении Л ИЛ риг ?. — R УОМГН" ИГ-рГУГЛТГНИЯ гптыргй
Шгырк гребневою
*4Ик'рО;ХЯИГЯ гели
Гибкая
При клялынмп in напряженке
Рис. 1.1 ребневый электродвигатель в исходном положении
Рис 2.1 ребневый электродвигатель в момент перемещения штырей
Магнитные актюаторы потребляют относительно большой электрический ток и их трудно изготовить Мембрана ели кантплсвср обычно выполняются нз специального ферромагнитного материала
R иш: vhihiiihkx микриик I HKfio}:<iK кхо.няг :<лгк фомло-и шмг и ижникктфикционнмг: ик ikm и ры Огн;ж-ным компонентом большинства магнитных актюаторов является тонкопленочная структура пластины. Пластина поддерживает электролитический пермоллоевый участок, генерирующий механическую силу н врашеткший момент при условии помещения его б магнитное поле. Эти актюаторы различаются по в илу механической поддержки. которая расположена либо m консольных балках, либо па балках кручения.
D качестве примера магнитного микроактюатора может служить линейный мотор, показанный на рис. 3. Магнит, расположенный в канале, движется ьзад-вперёд при переключении тока в обмотках го с одной, то с другой стороны канала.
Происходит переключение тока s обмотках
Обмотка
Митинг
I
Рис. 3. Линейный мотор
Mai HH iHhir* пктккиирм ширНшмкп (къ кшиг количпгко чнг]и ии и ¡исгшканп мнош inuia При к-мсггонле-ннн микроскопических компонентов (размером до нескольких миллиметров) электростатические устройства обычно зыгоднсс могнитных. однако прн больших размерах малинные устройства превосходят элскгросгатн-
чггкиг
Тепловые актюаторы отличаются относительно большим энергопотреблением, а генерируемое ими тепло необходимо рассеивать. В тепловых исполнительных мироустройствах (тепловых октюаторах) используются
ЛИНКННт ИЛИ (Х№ГМН1Г ]»К И1И[1ГНИГ .КИДКОПИ ИЛИ \-ЛХЛ И ДП^ орм И И И Ч |]|1фММ кглгуцп ккг Пимпалличн-кшо
эффекта
На рис. 4 приведена схема биметаллического актюатора. содержащего балку из кремния и слой из алюминия. Коэффициент теплового расширения у материалов разный При нагревании один материал расширяется быстрее, чем другой, и балка изгибается. Нагревание можно производить, протекая через это устройство элек трический ток Тепловые актюаторы метут создавать относительно большие силы, но достигаемый КПД есс равно остается относительно малым.
В термопиевматнческнх мпкроакпоаторах применяется следующее тепловое расширение газы и жидкости имеют намного больший коэффициент теплового расширения, чем твердые тела.
На рис. 5 показано устройство, внутри которого находится жидкость, с тонкой мембраной в роли нижней стенки. Через нагревательный элемент (резистор) пропускается юк Жидкость нагревается и начинает расшн ряться. деформируя мембран:/
Металл
Пагрепаиме
Электротоком
/ Диэлектрик
Для я«яучс-яия/кямтр*
яластыяы са*ляяяютгя я/ч есте
Ha rpruflTfj i. и мй 3лемект
Рис. 4. Биметаллический активатор
Рис. 5. Тепловой мнкроакпоатор
ТТрГИМуНЦ-Ч-ГКИ 1Г11ЛОКЫХ МНК|]€>аК1КИ111]Х1К — щнк ипа книпрукции НгуКИ"! ЛШИ НСНМГОКИЙ КТТД И 1)1]ИНИ-
ченное быстродействие Действительно, для возвращения актюатора в исходное положение нужно охладить нагревательный элемент, а значит, тепло должно быть рассеяно в окружающую среду, что занимает определенное нргм»
Пьезоэлектрические актюаторы. Их коммутацию обеспечивает приложенное к отдельным элементам объемной структуры напряженно, вызывающее изменение нх физических размеров. В основе работы пьсзоэлск-фичегких а», гмяшрик .гжич услокиг моя к. гния ■М1гк1ричсч*.ких чар«дон ршжир .чнана ну. п|нг1 икоио.игжнмх гранях некоторых кристаллов при нх механических деформациях (прямей пьезоэлектрический эффект). Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля.
Демонстрация принципа действия пьезоэлектрических актюаторов показала па рис. б. Слой пьезоэлектршеа осажден на балку, прн приложении напряжения балка изгибается
Пьезоэлектрик
Происходит деформация
Металл
Рис. б. Принцип действия пьезоэлектрического акпоатора IIa рис 7 изображена тонкая кремниевая мембрана. Мембрана деформируется, если приложить напряжение.
Пьезоэлектрик
I
Металл
Рис 7 Тонких KJJfMH ИГ"КЛЯ Г.1гмг|]№1ил
Биметаллические актюаторы строятся на основ: сплавов с памятью формы, а коммутация происходит благодаря свойству некоторых материалов, деформированных при низкой температуре, восстанавливать при нагреве начальную форму.
Наиболее перспективными в применении считаются пьезоэлектрический и гидравлический актюаторы. Э.гк1]кк:1/1гич«:к1« иктиклиич иримгипт нримг^н-о к одной фпи чкгюгппрон, и, пенники, -по наи&шгг оГн-щнй и хорошо разработанный метод, его главные недостатки - износ н слипание.
Для магнитных антюатсроп обычпо необходим отпоептелыю большой электрический ток, также па микро гипиинтом уроннг при исполкчок-и-ии члгк1]ик:гл1ичг*:ких мгтднк нк1ин/1цни получаемый кмхоцной см или на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т. е. при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт белее хороший выходной сигнал.
1 ндравлнчсскнс мнкреакгкаторы могут передавать дозельно много энергии от внешнего источника по очгнк учини фупи.ам Дли мрончкодпка ми»]м|утяшн моли нгполкчокитьги Т.Т(тА-1гхнрло1 ич (рис: Я) Э|я микротурбнна обеспечивает энергией режущий мнкроинструменг. Гидравлические мнкроакпсаторь: имеют довольно большие размеры и высокий вровень мощнеегн.
OUT
IN
Рнс. 8. Микротурбина Рис. 9. Двигатель качения
На рис. 9 показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной ммкрообрабилл. Во время работы '¿лекдриды, расиолиленкьле снизу, посмедоьа .ельни, дру1 '¿а другом. iuu-ju-чают н выключают двигатель. Ротор последовательно притягивается к каждому электроду. Кран диска контак-пгрует с диэлектриком, раеположешплм над электродамп. Ротор медленно вращается по кругу, делая эдшг обо рот вокруг своей осн. D [11] привелены другие конструкции линейных пьезоэлектрических двигателей.
Пневматические актюаторы. Газы и »ид юл и нмгки иалнию би.хь-ики ки^ффициеых lciLJOBUio расшире-иия, чем твёрдые тела, и это моншо использовать d термоппеоматтпеекпх микроактюаторах. Даш сын пш актю аторев содержит нагревательный элемент н герметичную полость с упругой мембраной, заполненную газом
ИЛИ жидкое IhK r irfyjIKIXIT Hi'l]rKil ИрОИСХОДИТ pilCH ИрГНИГ ЦибоЧГЙ с]»-ДК1 К 1ГрМПИЧН11Й иблисги. нп» н
свою очередь приводит к деформации мембраны КПД таких устройств не превышает 10%. Термопиевматиче-ciaie актюаторы изгэтавлгоаются по технолопп: обьемпой мгжреобработкн и LIGA техиологтш.
Г)л?*»ггромгжлн»п«гс киг и ^лгктромлгчиткыг лкттолторы ят.л яютч* я нлиЬглгг удобными и ункигргллькъгми линейными приводами. Их легко подключить благодаря широкой распространенности и доступности сетевых и автономных неючгшков электричества. Установка систем олектропшання. в том числе разводка енловых и управляющих пепси проще, чем проклгдка гидравлических и пневматических линей. Система электропривода
Вия г Коку
Вид свсрму
(Без Mt«uirt6«)
Злшриаы
в целом н отдельные элементы компактны При модернизации оборудования не составляет сложностей замена пневматических н гидравлических цилиндров электропнлиндрами. т.к. можно обеспечить совместимость по габаритам и креплениям. Электроприводы обладают наибольшей энерго эффективностью по сравнению с конкурирующими решениями, т.к в них происходит прямое преобразование -энергии из электрической в механическую, а их энергопотребление в режиме ожидания мало. Большинство актюаторов хорошо защищены от попадания воды и пыли внутрь корпуса (характеризуется классом защиты IP), с другой стороны, они не выделяют в рабочую среду газы, жидкие и твердые частицы. Безопасность электроприводов дополняется тем. что прн отключении питания они неподвижно блокируются. Главные преимущества электрических приводов — отличная управляемость и контролируемость Позиционирование обеспечивается с высокой точностью н повторяемостью. а скорость регулируется в широких пределах. Поэтому7 прн применении на современных производствах, автоматических линиях и в роботах альтернативы электроприводам практически нет.
Все приведенные выше актюаторы относятся к промышленным. Эти актюаторы (промышленные электроприводы) применяются но современных высокотехнологичных производствах способствуя значительному7 повышению эффективности и производительности из-за удобства установки и использования, возможной быстрой регулировки параметров, простоты управления, высокой точности, многократного меньшего энергопотребления. Таким образом, перспективные разработки в области актюаторов находят свое место в системах электро энергетики
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Досовгщкий Г. А. МнкроЭлектромеханические системы 2010. URL: Ьгф:■•"■''wvn.v. naiiome-ter.ru/2010/09/3O/menis 21S36S.html (дата обращения: 23.03.2014).
2. Что такое МЭМС и МСТ // Новости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2010 URL: http:/Aww^v meros rWiiirodnctioiiphp (дата обращения: 23.03.2014).
3. Барннов. И. Н.. Волков В. С. Микромеханнка вокруг нас. 2011. URL: http^'dep pribor.puz.gTi.nv' llei'dep pribor.piizgti.fii'iiiikrQmehamkn vokms nas.pdf (дата обращения: 26.03.2014).
4. Белов Л МЭМС-компоненты и узлы радиочастотной аппаратуры .7 Электроника: Наука. Технология. Бизнес. 2008. № 2. С. 20-29.
5. Урманов Д. М. Концепция по развитию производства МЭМС-нзделнй в России на период до 2017 г. URL: http://www. micro systems.ni;conf_new!4.php?id_ta'L>le=l&file= 155.html (дата обращения: 05.03.2014).
6. Kollier. М. Naiiotechnology: Ail Introduction to №m.ostructnrm.g Techniques. Winiliinn Wiley — VCH. 2004. 272 p.
7. . Васенков А. В. Микроэлектромеханические системы. Настало время выходить в свет / А. В. Васенков П Электроника: Наука. Технология. Бизнес. - 1998. — № 5-6. - С. 55—59.
8. РОСНАНО инвестирует в МЭМС-системы. URL: http ://www.rusnano. сош/ about/press-centre /news/75 634 (дата обращения: 05.03.2014).
9. Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Акселерометры [Электронный ресурс] // Компоненты н технологии. 2010. № 3. С. 20—26.
10. Лацлпнёв Е. В.. Яшин К. Д. Мнкроакгюаторы. URL: http:7uiicronMclmie.mrod.nVimlexhtml (дата обращения: 06.02.2016).
11. Самарин А. Миниатюрные линейные пьезоэлектрические двигатели. URL:
URLfile:([-'D:/!%2ОМои?-'о2Одокуменгы'1 Тезисы?-'о2РФ/Пьезо э лектрнческие°Адпигате лн.Ыш! (дата обращения: 06 02.2016).
