|
Микросистемная техника (МСТ) - новое направление научной и технической деятельности, которое в последнее десятилетие стремительно вторгается во все области производства. Опираясь на достижения микроэлектроники и микротехнологий, МСТ завоевывает рынки, начиная от вооружений и энергетики и кончая биологией, медициной, от средств мобильной связи до всевозможных устройств бытовой техники. Микросистемная техника развивается на стыке множества отраслей науки и техники. За истекшие десятилетия микроэлектронной технологией пройден путь от гибридных сборок, содержащих единичные полупроводниковые вентили, до микропроцессоров, где число транзисторов на чипе давно превысило миллион. Такой стремительный рост возможностей вычислительного ядра систем управления привел к тому, что наращивание этой подсистемы уже не приводит к адекватному увеличению возможностей системы управления в целом, ибо слабейшими (по габаритам, стоимости, энергопотреблению и др.) звеньями цепи оказываются сенсорная (измерительная) и активаторная (исполнительная) подсистемы. Поэтому дальнейший прогресс техники неизбежно связан с прогрессом сенсорных и активаторных подсистем, вначале на базе микроэлектромеханических дискретных элементов, функционально и технологически совместимых с вычислительной подсистемой, а затем и путем полного слияния всех трех подсистем в едином микроустройстве.
Существующие технологии МСТ используют в основном модернизированные технологические приемы микроэлектроники. Достоинствами такого подхода к созданию микроустройств являются:
1. Обеспечение очень высокой точности изготовления (менее 1 мкм).
2. Параллельное («групповое») изготовление большего количества одинаковых устройств, обеспечивающее низкую стоимость единичного изделия.
3. Однотипное и одновременное изготовление механических, электрических и др. элементов устройств со сложной топологией и комплексной структурой.
В противоположность обычным технологическим методам, усложнение геометрической конфигурации (в рамках планарности) не является ограничением и не ведет к удорожанию устройства. В настоящее время наиболее освоены датчики самых различных типов и назначения, которые отличаются малыми габаритами и энергопотреблением, невысокой ценой при достаточно высоких характеристиках. Разработаны и активно разрабатываются микродвигатели, насосы, элементы приводов, клапаны, а также различные «экзотические» устройства нетрадиционных схем - шагающие микророботы, микромахолеты и т. д. Аэрокосмические применения - область, где малые габариты и масса являются одним из решающих аргументов в пользу МСТ - приборов. Именно для этой области еще в конце 60-х годов разработаны и освоены первые миниатюрные кремниевые датчики давления и акселерометры. Датчики отличаются высокими динамическими характеристиками (собственные частоты датчиков давления - до 500 кГц), наименьший диаметр датчика - до 0,4 мм, датчики обладают высокой устойчивостью к вибрациям и ударам. Разработаны и применяются в аэродинамических исследованиях кремниевые зонды термоанемометры, датчики касательного трения. Дальнейшим шагом развития является разработка многоэлементных (кластерных) массивов датчиков, выполнение «кластеров» на гибком носителе, обеспечивающем установку непосредственно на обтекаемую поверхность или внутри проточной части каналов (рис. 11.1).
Рис. 11.1 Многоэлементный массив датчиков на гибком носителе для аэродинамических исследований (Калифорнийский технологический институт).
В целях повышения надежности авиационных ГТД ведется разработка датчиков, работоспособных в сложных условиях (при высоких температурах, уровне вибрации и т. п.). Вышли на уровень летных испытаний исследования по активному управлению потоком с использованием МСТ. Создание летательных микроаппаратов (ЛМА) авиационного и космического назначения ведется целым рядом организаций в США, европейских странах, в Японии и Китае. Создаются ЛМА для освещения тактической обстановки. Планируется выводить на орбиты малые (до 500 кг), микро- (до 100 кг) нано- (до 10 кг), и пико (до 1 кг) космические аппараты различного назначения. Большая часть этих разработок базируется на использовании достижений микросистемной техники. Так для летательных микроаппаратов (ЛМА) создаются многочисленные микроаналоги традиционных двигателей (электромоторы, ДВС, ЖРД, турбины) (рис. 11.2).
Рис. 11.2 Демонстрационный микро-ЖРД, разрабатываемый в Массачусетском технологическом институте
Лабораторией микротехнологий и МЭМС СПбГПУ накоплен опыт разработки различных микромеханических устройств, в т. ч. датчиков давления, тепловых преобразователей различного назначения. Датчики давления – одна из первых микроэлектромеханических разработок нашей лаборатории, выполнялась для отдела промышленной вентиляции ЦАГИ. Необходимо было разработать датчики для установки непосредственно на поверхность аэродинамической модели (т. н. «низкопрофильный датчик»). Датчик был выполнен по классической МЭМС — технологии: мембрана, созданная жидкостным травлением с диффузионными тензорезисторами, соединенными по мостовой схеме. Датчики устанавливались на поверхность моделей с помощью клея. Для исследования нестационарных аэродинамических процессов в проточной части нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА) разработаны и широко применялись на модельных и натурных ступенях датчики пульсаций статического давления. Конструкция датчиков предусматривает установку на рабочие колеса и обеспечивает работоспособность датчиков при уровне ускорений до 30000 g (рис. 11.3).
Рис. 11.3 Кремниевые датчики давления для аэродинамических исследований
Тепловые преобразователи, разработанные по заказу ВНИИ Метрологии им. Менделеева для вторичного эталона, по ряду параметров имеют показатели лучше, чем у существующих вторичных эталонов переменного напряжения. Разработанный чип использован для создания ряда макетов тепловых преобразователей: термоанемометра с косвенным подогревом, датчика отрыва потока, вакуумметра, инклинометра, микрорасходомера (рис. 11.4). Проработаны вопросы использования датчиков на основе теплового преобразователя для систем определения параметров движения ЛМА.
Рис. 11.4 Тепловой термоэлектрический преобразователь
Наиболее сложные микроэлектромеханические структуры выполняются для инерциальных вибродатчиков с электростатическим приводом. Датчики акселерометров и гироскопов разрабатываются для систем навигации быстродвигающихся объектов. Для контроля герметичности корпусов используется вакуумметр, созданный на основе теплового преобразователя (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Модуль блока инерциальной навигационной системы (разработки лаборатории МТ и МЭМС СПбГПУ).
Для этих и ряда других разработок создан ряд оригинальных микротехнологий, обеспечивающий полный цикл операций. Накоплен значительный межотраслевой опыт создания изделий микросистемной техники - лаборатория ведет разработки в тесном взаимодействии с ведущими кафедрами ряда технических университетов, лабораториями и предприятиями, специализирующимися в области микросистемной техники.
|