Федеральное агентство по образованиюРоссийской Федерации
Новгородский государственныйуниверситет им. Ярослава Мудрого
Институт Электронных и Информационныхсистем
Кафедра «Проектирование и технологиярадиоаппаратуры»
Реферат по учебной дисциплине
«Физические основы функциональнойэлектроники»
по теме: «Проектирование и технологиярадиоэлектронных средств»
2010
Содержание
Введение
1. Микроактюаторы
2. Законыпропорциональной миниатюризации
3. Критерииоценки микроактюаторов
4. Трение иизнос
5. Различныетипы микроактюаторов
6.Электростатические актюаторы
7. Магнитныеактюаторы
8.Пьезоэлектрические актюаторы
9.Гидравлические актюаторы
10. Тепловыеактюаторы
11. ИзготовлениеМЭМС
12. Материалыдля МЭМС
13. Технологиипроизводства МЭМС
14.Применение МЭМС
Заключение
Списоклитературы
Введение
МикроЭлектроМеханические Системы или сокращенно МЭМС — это множествомикроустройств самых разнообразных конструкций и назначения, производимыхсходными методами с использованием модифицированных групповых технологическихприемов микроэлектроники. Объединяет их два признака. Первый – это размер,второй – наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. Вмире они известны под аббревиатурой MEMS – MicroElectroMechanical Systems.
Это могут быть:
· миниатюрныедетали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины дляподвески головки винчестера;
· микроинструменты:скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров;
· микромашины:моторы, насосы, турбины величиной с горошину;
· микророботы;
· микродатчики иисполнительные устройства.
Некоторые из них уже производятся в мире многомиллионными тиражами,другие только разрабатываются и проходят испытания. С микроситемами связываюттот технологический рывок, который человечество совершит в 21 веке, импредрекают совершить такой же переворот, который совершила в 20 векемикроэлектроника.
Микротехнологии развиваются на основе научно-технологического заделамикроэлектроники. Вместе с тем, микроэлектромеханические системы призваныактивно взаимодействовать с окружающей средой. Кроме того, конструкции системобладают выраженной трехмерностью. От классических механических систем ихотличает размер – материалы в таком масштабе ведут себя несколько иначе, чем вобъемном виде, хотя микросистемы еще подчиняются законам классической физики, вотличие от наносистем. Тем не менее классическая физика предсказывает длямикроустройств особенные свойства. Все это требует ряда совершенно новыхподходов к проектированию, изготовлению и материалам МЭМС. Новые задачи впроектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задачсхемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела,термоупругости, газо- и гидродинамики — порознь или одновременно появляющихся визделии. Что касается материалов, то несмотря на то, что монокристаллическийкремний — традиционный материал микроэлектроники — имеет ряд уникальныхсвойств, необходимы другие материалы с новыми сочетаниямиэлектро-физико-механических свойств. Новые задачи технологии связаны с наиболеехарактерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последниепо существу двумерны и механически статичны, то микросистемы — это реальныетрехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительногомеханического перемещения. Эти новые свойства требуют развития новыхтехнологических операций для 3-D формообразования.
Поскольку МЭМС развиваются на стыке множества отраслей науки и техники,требуется участие в работах специалистов самых разных областей знания, которыемогли бы эффективно взаимодействовать. Координировать работу таких групп должныспециалисты, которые владеют знаниями во всех основных предметных областях,имеющих отношение к созданию микросистем, а также владеют современной методикойреализации инновационной деятельности.
/>/>/>1. Микроактюаторы
Микроактюатор (составная часть МЭМС) — это устройство, котороепреобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры отнескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазонприменения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянновозрастает. Они используются в робототехнике, в управляющих устройствах, вкосмической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, втехнологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.
Основные используемые методы получения активации (движение, деформация,приведение в действие) в таких устройствах могут быть сведены к следующим:электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой.Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический,хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяетсяпримерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошоразработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитныеактюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток (т.е. многоэнергии), также на микроскопическом уровне при использовании электростатическихметодов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицуразмерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е. при одном итом же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходнойсигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количествоэлектрической энергии, и главный их недостаток в том, что генерируемое теплорассеивается. В настоящее время разрабатываются микроактюаторы, основанные наэффекте памяти формы, которые могут быть минитюаризированы до субмикронныхразмеров.
При изготовлении и эксплуатации МЭМС встречается масса особенностей ипроблем, обуславливаемых малыми размерами – например проблема сухого трения,или опасность поломки из-за сил поверхностного натяжения. Поэтомупроектирование микросистем черезвычайно важный процесс. Существует довольномного специальных программных средств, которые позволяют моделировать МЭМСустройства./>/> 2. Законыпропорциональной миниатюризации
При изучении микросистем последствия пропорционального уменьшенияразмеров представляют особый интерес. То есть принимается, что все размеры иуглы остаются в фиксированном соотношении друг с другом, а изменяется толькомасштаб длины, например, предположим изометрический масштаб. Механическиепроцессы описываются соответствующими характеристическими числами, которыедолжны остаться постоянными, для того чтобы процессы остались такими же.Некоторые характеристические числа зависят от размера системы, а другиенезависимы от него. Здесь представлены только некоторые характеристическиечисла, которые особенно интересны для применения в микросистемах.
Число Коши (упругие колебания)
Число Коши [Формула 1 (Рис. 1)] определяет соотношение инерционных сил исил 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 масштабчастоты колебаний обратно пропорционален длине.
Из этого следует, что механические микросистемы обладают очень высокимисобственными частотами.
Хотя собственные частоты ограничивают рабочий диапазон,миниатюризированные системы проявляют значительно улучшенные динамическиехарактеристики и более низкое время реакции.
/>
Рис. 1
Число Вебера (инерция, поверхностное натяжение)
Число Вебера [Формула 2 (Рис.1)] определено, как соотношение инерционныхсил и поверхностного натяжения. Где u — это скорость, ρ — плотностьи σs — поверхностное натяжение, для воды значение σs= 0,073 Н/м. Для больших чисел Вебера инерционные силы играют главенствующуюроль, в то время как для маленьких чисел Вебера силы поверхностного натяжениязначительны. Число Вебера имеет значение при формировании волн на свободныхповерхностях, для потоков жидкости в капиллярах и каналах, а также вформировании капелек. Число Вебера связывает силу поверхностного натяжения собъёмными 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 междунакопленной энергией и проведённой тепловой энергией. Оно определяет степеньпроникновения и распространения тепла в случае переходного процесса припереносе тепла через коэффициент теплопроводности λ, удельную теплоемкостьcp и плотность ρ. Число Фурье обратно пропорционально квадратудлины L и прямо пропорционально времени. Для F0
Число Фруда (механика, конвекция, механика жидкости)
Число Фруда [Формула 4 (Рис.1)] имеет важное значение для всех динамическихперемещений в гравитационном поле. Оно характеризует соотношение междуинерционными силами и силами гравитации (вес) в зависимости от скорости υ,ускорения из-за силы тяжести g и масштаба длины L. При больших значениях числаФруда эффектом силы тяжести пренебрегают, в то время как при малых значенияхчисла Фруда можно пренебрегать силами инерции. Так как число Фруда обратнопропорционально величине длины, эффект гравитации уменьшается при уменьшенииразмеров. Действительно маленькие животные и микроорганизмы используют болеевысокую частоту шага, чем люди или большие животные. />/> 3. Критерииоценки микроактюаторов
Для оценки качества микроактюаторов используются следующие показатели:
· Линейность определяет линейность выходногосигнала как функцию входного. Определяется как максимальная разница междуопорной линейной линией и выходом актюатора.·Выражена как процентполного выхода.
· Точность — насколько точно и воспроизводимовыполнена искомая активация.
· Погрешность определяет разность между реальнымперемещением и целевым.
· Для разрешенияимеется три определения:
1. Наименьшийобеспечиваемый шаг.
2. Наименьшееприращение входа, приводящее к обнаружению активации.
3. Наименьшийопределяемый шаг.
· Воспроизводимость — отклонение выходного сигнала поциклам работы
· Гистерезис — это разница между выходнымсигналом актюатора Y, когда Y получают в двух противоположных направлениях.
· Пороговоезначение — начиная снулевого входного сигнала, наименьшее начальное приращение входа, котороеприводит к обнаружению выходного сигнала актюатора.
· Холостой ход – “мертвый” ход после сменынаправления («b»).
· Шум — флуктуации (случайные изменения) ввыходном сигнале с нулевым входом.
· Дрейф — изменение выходного сигналаактюатора (с постоянным входом) в зависимости от изменения времени, температурыи т.д.
· Амплитуда — полный рабочий диапазон выходногосигнала актюатора.
· Чувствительность — отношение изменения выходногосигнала актюатора ΔY к изменению приращения входного сигнала ΔX.
· Скорость — скорость, с которой изменяетсявыходной сигнал актюатора.
· Переходнаяхарактеристика — резкое изменение выходного сигнала актюатора в ответ на ступенчатый входнойсигнал.
· Ранжирование — оценка для сопоставленияразных методов активации: DS= -(dη/dV), где η — выход по энергии, V — объём./>/> 4. Трениеи износ
Правила пропорциональной миниатюризации приводят к факту, что намикроуровне 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 обладаютмалой силой инерции, что ведёт к высоким динамическим характеристикам, и следовательноони часто работают с высокой рабочей частотой и скоростью.
С одной стороны трение ведёт к потерям, которое является причинойухудшения функционирования элементов, с другой стороны трение приводит кизносу, который негативно воздействует на функциональное поведение и ведёт кускоренному старению и, в конечном счёте, поломке компонента. Трение являетсяключевым фактором, который определяет не только эффективность, но идолговечность. Однако трение не всегда сопровождается износом, возможно трение ибез износа.
Трение — это явление, воздействующее на поверхностный слой материала, ипрактически не затрагивающее объёмные характеристики. Это результатвзаимодействия контактных областей поверхностей. Важные факторы, влияющие навеличину трения: состояние поверхности, поверхностная топология ивзаимодействующие материалы. По сравнению с традиционным машиностроением вмикросистемах появляется трение твердых тел (сухое трение). Для микромоторовсила поверхностного натяжения настолько велика, что существенно влияет на ихфункционирование. Поэтому в качестве подшипников скольжения используютподшипники сухого трения, которые, однако, могут быть снабжены молекулярнымисмазочными плёнками для уменьшения трения и износа. В этом случаехарактеристики смазки и контактной поверхности становятся главными факторами.Характеристики материалов для смазочных плёнок молекулярной толщины изменяются.Следует заметить, что на сегодняшний день ещё не существует общепринятыхметодов применения молекулярных плёнок толщиной в несколько нанометров. В этомслучае шероховатость поверхности имеет более высокую важность, чем толщинаиспользуемой в микросистемах плёнки, которая лежит в пределах от несколькихдесятков до нескольких сотен нанометров.
Классическая инженерная модель макроскопического трения имеет следующиесущественные характеристики:
1. Сила трениязависит только от нормальной силы FN и всегда действует внаправлении противоположном направлению движения.
2. Сила трения независит от величины поверхности соприкосновения.
3. Сила трения независит от скорости скольжения.
4. Сила трения покоявсегда больше силы трения движения.
5. Силы трениязависят только от двух материалов, которые скользят друг по другу.
Следующая формула, названая законом Кулона – Амонтона, выражает эти соотношения:F1=μFN, где F1и FN — этотангенциальная и нормальная составляющая силы и μ — кинетическийкоэффициент трения. Некоторые коэффициенты сухого трения скольжения μ дляразличных 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, чтоприводит к тому, что фактическая область контакта состоит из отдельныхконтактных точек. Точки контакта или неровности составляют только малую долюобщей площади поверхности, зависящую от нагрузки.
Так как исключительно точки контакта вносят вклад в генерацию силы,напряжение в точках контакта соответственно высоко, и предел текучестиматериала 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 пропорциональнойдавлению и обратно пропорциональной пределу текучести, A=p/σm.В контактных областях силы междуатомного взаимодействия действуют междусмежными участками вещества, которые противостоят касательному напряжениюσs. В этом случае силы трения переносятся только в областьконтакта. Таким образом, сила трения становится пропорциональной фактическойплощади контакта, и коэффициент трения находится по формуле μ=σs/σm.Эта модель даёт возможность объяснить трение Кулона, так как трение становитсяпропорциональным нагрузке, и не зависит от кажущейся площади. Сумма точекобласти 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 различныйкоэффициент трения — атомные поверхности имеют разные межмолекулярные связи.Некоторые применения этой идеи могут подтвердить вывод о том, что грубыеповерхности 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 видеследующей картины. Внутри точек контакта происходит сильная нагрузка наматериал, которая приводит к пластическим деформациям с одной стороны и сдругой стороны, из-за слипания точек контакта, к формированию трещин наповерхности контактирующего материала и в результате к необратимым изменениям.Для износа характерны следующие механизмы:
· Адгезия(слипание)
· Абразивный износ(стирание)
· Эрозия из-заразрыва оксидных покрытий
· Усталость.
Вследствие адгезии может осуществляться перенос вещества между точкамиконтакта и происходить искажение кристаллической решетки. Силы адгезииувеличиваются для веществ, которые имеют большее взаимное адгезивное сходствоили химическую растворимость, создавая больший износ при контакте похожихповерхностей, чем при разнородных. Идеальным для предотвращения трения являетсяматериал, который сопротивляется образованию химических связей со множествомдругих материалов. Эта химическая инертность найдена в некоторых материалах,таких как тефлон. На атомном уровне было определено, что сухое трение иногдаменьше, чем жидкое, потому что жидкость предоставляет больший фактическийконтакт между поверхностью и жидкостью, что приводит к гораздо большемуадгезионному трению. Текстурирование может быть прежде всего использовано дляуменьшения стикции (слипания) и трения покоя, так как более нерегулярныеповерхности имеют меньшую стикцию. Текстурирование также может оказыватьнекоторую помощь смазочному материалу.
/>/>5. Различные типы микроактюаторов/>/> Преобразованиеэнергии
Цель микроактивации — это получение силы, которая могла бы производитьмеханическое перемещение. Следовательно, разные принципы получения активациимогут быть оценены согласно их работоспособности, т.е. возможностииспользования механической энергии. По сравнению с электромагнитнымпреобразованием энергии, которое преобладает в традиционной инженериидвигательных механизмов, в микроактивации можно использовать множестворазнообразных принципов, которые не имело смысла использовать по функциональнымили по ценовым характеристикам в макротехнологии.
Начнём с фундаментального отношения: изменение накопленной энергиисистемы 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 равнонулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной накопленнойэнергии: F ~ W.
По этой причине, накопленная энергия и/или плотность энергии имеетключевое значение для оценки работоспособности любого актюатора. Так как любоепреобразование энергии связано с потерями, то и работоспособность такжепропорциональна коэффициенту полезного действия η, с которым одна формаэнергии может быть преобразована в другую. Мощность и работоспособность системыхарактеризуется также временем, которое необходимо для получения иизрасходывания запаса энергии. Этот временной интервал может быть оценен повременной константе, которая является характерной для конкретного принципаактивации. Решение, какой принцип активации использовать, должно приниматься,учитывая достижимую плотность энергии, скорость изменения состояния (временнаяконстанта τ) и эффективность использования энергии η. В зависимостиот 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 размерλ, (например, м3) а когда мы имеем дело с силой, то у насвторая степень (м2). Однако, так как в некоторых важных случаяхдостижимая плотность энергии также зависит от размера, то эта зависимость — третья степень величины характеризующей размер — не всегда правильна. Длямикросистем это приводит к такому важному факту: станут привлекательными дляиспользования те принципы преобразования энергии, которые не соответствуютмакродиапазону. Вообще связь между силой и величиной характеризующей размерможет быть описана соотношением F~λn. Типичные значенияпоказателя степени n для разных принципов преобразования энергии сведены втаблице. />/>Эффект />/>Плотность энергии [Вт*с/м3] />/>Пересчёт силы F~λn с n= />/>Константа времени />[мс] />/>КПД η Пьезоэлектрический
2 ·105 2
мех 0,3 Электромагнитный
105 от 2 до 4
мех 104 2
мех 0,5 Биметаллический
106 2 10-4 Термопневматический
·105 2 10 0,1 Сплавов, запоминающих форму
3,5 ·105 2 Перечисленные принципы отличаются по достижимой плотности энергии,временной константе, и по выходу энергии. Эти соотношения определяют достижимуюсилу и плотность энергии. Типичная плотность энергии для основных принциповпреобразования, используемых сегодня, лежит внутри диапазона w=105-106Вт*с/м3.Однако, так как быстродействие, выраженное через временную константу,отличается сильно, то плотность энергии w//>изменяется в более широкомдиапазоне, от 10-6-100Вт/см3. Гидравлические ипневматические актюаторы достигают самой высокой плотности энергии, можно дажесказать, что не существует в микродиапазоне актюаторов с более высокой плотностьюэнергии. Годную к использованию механическую энергию получаем из произведенияплотности энергии и коэффициента полезного действия. Эффективность (КПД)зависит от принципа действия и размера, следовательно, в микродиапазоненекоторые принципы активации имеют одинаковую работоспособность./>/> 6. Электростатическиеактюаторы
Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана поформуле [Формула 8 (Рис.1)], где C-ёмкость и V-напряжение междуобкладками конденсатора.
Когда пластины конденсатора перемещаются навстречу друг другу, работа,совершаемая силой взаимодействия между ними, может быть рассчитана, какизменение Uв зависимости от изменения расстояния (x). Силарассчитывается по формуле [Формула 9 (Рис.1)]
Существует несколько вариантов реализации электростатических актюаторовна основе плоскопараллельных конденсаторов:
Однако для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работутакого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялисьёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневыхмикродвигателей (рис.2).
/>
Рис. 2
Гребневые микродвигатели состоят из большого количества встречностержневыхштырей (рис. 2). При приложении напряжения, появляется сила взаимодействиямежду штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорциональноколичеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большоеколичество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то,что если поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (илиесли устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильномунаправлению и соединение их друг с другом. Гребневые двигатели особеннораспространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой.
Двигатели качения названы так по действию раскачивания, положенному в основуих принципа работы. На рис. 3 (a, b) показана конструкция двигателя качения,полученного при помощи технологии поверхностной микрообработки. Ротор — этокруглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно,друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается ккаждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным надэлектродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборотвокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.
/>
Рис. 3
Другая конструкция двигателя качения представлена на рис 4. Ротор,находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое полераскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.Проблемы могутвозникнуть, если быстро износится изоляция на электродах статора, еслипроизойдёт сцепление или слипание с ротором, если ротор и подшипник не круглые.
/>
Рис. 4
Проблема моторов полученных поверхностной микрообработкой — это их оченьмаленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого измененияёмкости при движении ротора. Для преодоления этих проблем можно использовать LIGAтехнологию. Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 3(c,d)- здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора.
1) Преимущества:
· выгодностьпропорционального уменьшения размеров
· лёгкостьминиатюризации
2) Недостатки
· для большинстваэлектростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут бытьпричиной поломки вследствие малых воздушных зазоров
· высокоенапряжение
· для двигателейвращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения./>/> 7. Магнитныеактюаторы
Прежде всего, следует сказать, что довольно часто микроустройстваизготавливают при помощи гальванотехники, используя никель (это особеннохарактерно для LIGA технологии). А так как никель это ферромагнитный материал,то это стало первопричиной появления магнитных актюаторов.
Основным компонентом большинства актюаторов этого типа являетсятонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитическийпермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент приусловии помещения его в магнитное поле. Как структурные пластины, так иподдерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизмактивации проиллюстрирован на рис 8. Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурнаяпластина параллельна плоскости подложки. Когда внешнее магнитное поле Hвнеш,приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевогоучастка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует сHвнеш. Взаимодействие создаёт вращающий момент (Ммаг) инебольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этомзаставляя её изгибаться.
При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материалрассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный векторнамагниченности 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 = Мнас×W×T×H1
F2= Мнас×W×T×H2,
где H1и H2 напряжённость магнитного поля на верхнейи нижней грани пластины (в текущей конфигурации H1
Ммаг= F1×L×cosθ
F = F2 — F1
Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию в системеактюатора, выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнегомагнитного поля.
Фотография магнитного микроактюатора, полученная на сканирующемэлектронном микроскопе, представлена на рис. 5.
/>
Рис. 5
Примером магнитного микроактюатора другой конструкции может служить линейныймотор, показанный на рис 6. Магнит, расположенный в канале, движетсявзад-вперёд при переключении тока в обмотках, то с одной, то с другой стороныканала.
/>
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 материалмагнита выбирается оптимально. Во многом из-за этого магнитные актюаторыпотребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла. Следуетотметить, что для изготовления микроскопических компонентов (размером донескольких миллиметров) электростатические устройства обычно выгоднеемагнитных, однако при более больших размерах магнитные устройства превосходятэлектростатические./>/>8. Пьезоэлектрические актюаторы
В основе теории пьезоэлектрических актюаторовлежит прямойпьезоэлектрический эффект — появление электрических зарядов разного знака напротивоположных гранях некоторых кристаллов при их механических деформациях:сжатии, растяжении и т.п и обратный пьезоэлектрический эффект — состоит вдеформации 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 электрическогополя, Ek- относительная деформация, σk- механическое напряжение. Основнымипараметрами являются: dik — пьезоэлектрические коэффициенты, Sik- коэффициентыупругой деформации, коэффициенты диэлектрической проницаемости Eik.
На рис. 7 показано два простых примера, демонстрирующих принцип действияпьезоэлектричекских актюаторов. На рис. 7-а слой пьезоэлектрика осаждён набалку. При приложении напряжения балка изгибается. Такой же принцип можноприменить и с тонкой кремниевой мембраной (рис. 7-b). Если приложитьнапряжение, мембрана деформируется.
/>
Рис. 7а
/>
Рис. 7б
Наибольшую популярность имеют следующие конструкции пьезоэлектрических Микроактюаторов(Рис. 8).
/>/>/>Рис. 89. Гидравлическиеактюаторы
Гидравлические микроактюаторы имеют значительный потенциал, так как онимогут передавать довольно много энергии от внешнего источника по очень узкимтрубкам. 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.
/>
Рис. 9
К особенностям гидравлических микроактюаторов можно отнести то, что онимеет довольно большие размеры, высокий уровень выходных сил и может иметькрайне низкое трение./>/> 10. Тепловыеактюаторы
Тепловые актюаторы используют как линейное или объёмное расширениежидкости или газа, так и деформацию формы вследствие биметаллического эффекта,которые имеют место благодаря изменению температуры. Рассмотрим биметаллическийактюатор. На рис. 10 мы видим балку из одного материала (кремний), и слой издругого материала (алюминий). Коэффициент теплового расширения у них разный.При нагревании, один материал расширяется быстрее, чем другой, и балкаизгибается. Нагревание можно производить, пропуская через это устройствоэлектрический ток.
/>
Рис. 10
Тепловые актюаторы могут создавать относительно большие силы, но нетконструкции которая бы позволяла это сделать с позиции эффективногоиспользования энергии. Результат улучшается при увеличении разницы междукоэффициентами теплового расширения и при большом изменении температуры, однакодостигаемое КПД всё равно остаётся относительно маленьким. Газы и жидкости имеютнамного больший коэффициент теплового расширения, чем твёрдые тела, и это можноиспользовать в термопневматических микроактюаторах. На рис. 11 показанрезонатор, внутри которого находится жидкость, с тонкой мембраной в роли нижнейстенки. Через нагревательный элемент (резистор) пропускается ток. Жидкостьнагревается и начинает расширяться, деформируя мембрану.
/>
Рис. 11
Преимущества тепловых микроактюаторов:
1. Простаяконструкция, рабочими элементами являются резистор нагрева и для использованиябиметаллического эффекта плёночная структура.
2. Подходящийразмер, лежащий в микродиапазоне.
3. В качествеактивных элементов применимы почти любые материалы, которые кроме различныхкоэффициентов расширения должны обладать достаточной прочностью. Обычно вкачестве нагревателя используются резисторы извилистой формы, которые можно легкоизготовить с использованием тонко- или толстоплёночной технологии.
Недостатки:
1. В настоящее времянагревательный элемент потребляет очень много энергии для того, чтобы тепловойактюатор смог развить относительно большую силу, т.е. у тепловых актюаторовневысокий КПД.
2. Нагревательныйэлемент необходимо охлаждать, чтобы вернуть актюатор в исходное положение, азначит тепло должно быть рассеяно в окружающую среду. Это естественно занимаетнекоторое количество времени и ограничивает быстродействие. />/> 11. ИзготовлениеМЭМС/>/> Проектированиемикросистем
Так как проектирование МЭМС почти на всех своих фазах автоматизировано,то сосредоточим своё внимание на методологиях, алгоритмах, методах описания имоделирования, используемых при автоматизированном проектировании. Всёвышеуказанное объединяется в ёмкое понятие CAE — Computer AidedEngineering.Специфические характеристики и различия между проектированием, производством иприменением микросистем по сравнению с традиционными (макро) реализациямивытекают 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 опытногообразца следует избегать настолько, насколько это возможно. Кроме высокойстоимости производства опытного образца для выполнения производственного циклатребуется очень большое количество времени. В зависимости от сложности, циклзанимает несколько дней, недель или даже полгода. За то же самое время огромноеколичество вариантов конструкции может быть проверено при помощи моделирования.
Проектирование включает в себя высокую ценовую ответственность за каждыйследующий шаг в жизненном цикле изделия. В типичном цикле изделия:
· Планированиепроекта;
· Проектирование;
· Производство;
· Сбыт;
· Сервисноеобслуживание;
· Утилизация, проектированиесущественно влияет на стоимость следующих шагов, хотя прямые издержки напроектирование относительно малы. Обычно издержки на проектирование это 10 % отобщей стоимости, хотя оно несёт ответственность за 70-80% общей стоимости.
В отличие от традиционных систем, возможность ремонта микросистем иособенно интегральных схем очень ограничена. Таким образом, главная цель приразработке состоит в том, чтобы получить полностью функционирующую систему впервой же реализации. Хотя типичная интенсивность отказов относительно высока(около 10%), контролируемость системы также является важной задачей припроектировании.
На сегодняшний день микросистемы состоят из отдельных компонентов, такихкак сенсоры и актюаторы, которые интегрированы и упакованы вместе с управляющейи вычислительной электроникой. МЭМС отличаются разнообразием применений. Дляпроектирования, таким образом, возникает вопрос, в какой степени отдельныеэтапы проектирования могут быть стандартизированы и автоматизированы. Не всешаги могут быть автоматизированы одинаково. В особенности концептуальноепроектирование и разработка принципов действия, которые основаны на творческойспособности разработчика и, следовательно, не могут быть стандартизированы. Атворческую способность можно только в небольшой степени поддержать средойпроектирования./>/> 12. Материалыдля 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:
· несущихконструкций;
· токоразводки;
· смазки.
2. «Активные умные» (никель/титан, пермаллой, кварц, окисьцинка, пьезокерамика, материалы группы A3B5, А4В6),выполняющие за счет электростатических, электромеханических,пьезоэлектрических, магнитных, оптических явлений и эффекта памяти формыфункции:
· источниковдвижения;
· механизмовпередачи движения;
· сенсорных иактивирующих сред.
При создании микросистем различного функционального назначения на основекомпозиций разнородных материалов должны учитываться следующие параметры:
· кристаллохимическаясовместимость;
· термомеханическаясовместимость;
· тепловаястойкость (допустимая тепловая нагрузка, учитывающая температуру Дебая, точкуКюри, а для полупроводников и температуру перехода в состояние, когдаконцентрация собственных носителей заряда близка к примесной; способностьвещества отдавать энергию в окружающую среду за счет теплопроводности, а привысоких температурах и за счет теплоизлучения);
· электрическаястойкость;
· механическаястойкость;
· механическаяусталость.
Мировой опыт изготовления MEMSоснован на широком использовании кремния –дешевого и доступного материала. Однако технологий кремниевой микромеханики иобработки информации на кремнии (КМОП-схемы), недостаточно для успешногоразвития МЭМС. Поэтому большое значение имеют системы, в которых наряду скремнием и другими полупроводниковыми материалами используются полимеры, керамика,металлы.
В классической микроэлектромеханике, ориентированной на базовыекремниевых микротехнологий в настоящее время господствует структура«кремний на диоксиде кремния». Учитывая тот факт, что микросистемыпредставляют собой сложные гетерогенные композиции, требующие сочетаниясовокупности разнородных материалов, и с учетом возможных особенностей ихфункционирования (высокие температуры, агрессивные среды, радиация),несомненный интерес в качестве базовой материаловедческой среды представляеткомпозиция «карбид кремния на нитриде алюминия». Данная композициясочетает в себе два широкозонных материала, один из которых – нитрид алюминия –является ярко выраженным диэлектриком (6,2 эВ) и обладает хорошимипьезоэлектрическими свойствами, а другой – карбид кремния (3,0 эВ) –широкозонный полупроводник. Оба материала оптически активны, в том числе вультрафиолетовой области спектра, имеют высокую теплопроводность и температуруДебая, характеризующую стойкость материала к внешним воздействиям (термическим,химическим, радиационным)./>/> 13. Технологиипроизводства МЭМС
микроактюатор пьезоэлектрический гидравлический микросистема
Для изготовления микросистем главным образом используется групповаятехнология. При использовании подобной технологии одновременно обрабатываетсябольшое количество элементов, при чём ручное вмешательство либо вообще нетребуется, либо оно незначительно. Например, осаждение плёнок, оптическаялитография, гальваника или травление. Многие из этих технологий были развиты вполупроводниковой технологии.
Так как микросистемы имеют крошечные размеры, издержки на материалы малы,а это означает, что производственные затраты низкие, несмотря на то, чтонакладываются особые требования на необходимую чистоту материалов. Стоимостьзаводов по производству высока. Производственное оборудование требует оченьвысокой точности (чистое помещение, покрытие…). Кроме того, высоких издержектребуют обслуживание и контроль (например, управление производственным процессом,контроль над нанесением покрытия).
В настоящее время существует несколько базовых технологий производстваМЭМС, составной частью которых, в том числе, являются микроактюаторы.
/>/>Кремниевая объёмная микрообработка.
Под кремниевой объёмной микрообработкой понимают технологию глубинногообъёмного травления, при чём травление может быть как жидкое химическоеанизотропное, так и плазменное.
Сухое травление.
Сухое травление — это метод силиктивного удаления не маскированныхучастков поверхности. Особенности процесса заключаются в том, что этот процессможно комбинировать с технологией тонких плёнок и с технологией КМОП. Такжепосредством физико-химического травления контролируется профиль травления. />/>Параметры процесса />/>Преимущества />/>Недостатки 1.Параметры плазмы: состав газа напряжение смещения температура подложки плотность плазмы давление процесса 1.Осмысленно получаемое горизонтальное изображение. 1.Обработка пластин по отдельности.
2. Маскирование полимерами и тонкими плёнками:
— термически SiO, — химическим осаждением из паровой фазы при пониженном давлении SiO2 или Si3N4
-нанесение фоторезиста — металлизация (Cr, Al). 2.Изменяемый профиль 2.Увеличение времени травления. 3. Химическое воздействие: с обратной стороны (мембраны, отверстия) -геометрическая форма определяется шаблоном маски, с передней стороны (консоли, каналы, затворы) — геометрическая форма определяется подтравливанием. 3.Возможно получение рельефных изображений 3.Нет собственного ограничителя травления и определения изображения
4.Газы травителя: SF6 — CBrF3 при t
Жидкое химическое анизотропное травление
В этом процессе используется то, что разные кристаллографическиенаправления кристалла травятся с разной скоростью (остаётся поверхность сориентацией 111).