Конструкции МЭМС-устройств и их принципы действия
Важнейшая составная часть большинства МЭМС-устройств – это актюатор, представляющий собой устройство, которое преобразует получаемую извне энергию в управляемое механическое воздействие, а также в передачу тепла или излучение света. Актюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения актюаторов чрезвычайно широк. Они используются в робототехнике, в системах управления автомобилей и аэрокосмической техники, в биомедицине, в измерительных приборах, в технологии развлечения и др.
В МЭМС-устройствахдля осуществления активации (перемещения, движения, деформации, приведения в действие) обычно используют следующие типы актюаторов:
– актюаторы на основе обратного пьезоэлектрического эффекта (требуют больших электрических напряжений, можно получать большие силы, но смещения малы);
– биморфные актюаторы на основе двух материалов с разным температурным коэффициентом расширения (можно получать большие силы и смещения, но процесс происходят медленно и им сложно управлять);
– электростатические актюаторы, работающие за счет электростатического притяжения и отталкивания между обкладками конденсатора (требуют больших электрических напряжений, небольшие силы и смещения);
– актюаторы на основе магнитных катушек (относительно слабые силы, сложности в изготовлении);
– гидравлические актюаторы (можно получать большие силы и смещения, но низкая надежность конструкции).
Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие методы имеют важное значение. Интерес представляют актюаторы, принцип действия которых основан на эффекте памяти формы. Рассмотрим более подробно основные типы актюаторов.
Электростатические актюаторы.Большинство актюаторов этого типа имеют гребенчатую структуру, состоящую из нескольких стержневых штырей, расположенных встречно относительно друг друга на близком расстоянии (рис 3.124а). При приложении напряжения, появляется сила взаимодействия между ними, и штыри начинают перемещаться относительно друг друга. Для создания больших сил требуется увеличение электрической емкости, которая пропорционально количеству штырей. Это может вызвать определенные проблемы при эксплуатации такого устройства. Если, например, расстояние между штырями на противоположных сторонах актюатора будет различаться, то в результате перемещение штырей будет происходить под углом к нужному направлению и в этом случае возможен электрический контакт между ними. Гребневые двигатели особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой. На рис. 3.124б показан исполнительный механизм, обеспечивающий угловое перемещение. На элементах внешнего статора циклически меняется положительное и отрицательное относительно подвижного ротора напряжение, что сопровождается поворотом ротора относительно статора.
а) б)
Рис. 3.124. Увеличенное изображение электростатического актюатора гребенчатого типа (а) и электростатического актюатора углового перемещения (б)
Магнитные актюаторы.Как уже отмечалось, при изготовлении МЭМС-устройств довольно часто используется технология LIGA, включающая в себя гальваническое формирование металлических слоев, в том числе и из никеля или пермаллоя (железо-никелевого сплава, содержащего от 45 до 82 % Ni), являющимися ферромагнитнымы материалами. Основным компонентом большинства актюаторов этого типа является тонкая ферромагнитная пластина, которая закреплена на опорных балках (рис. 3.125), сформированных из поликристаллического кремния. Действие магнитного поля на пластину перпендикулярно ее поверхности создает момент сил, вызывающий прогиб опорных балок и перемещение пластины. Магнитное поле создается специальными электромагнитами, установленными снизу от пластин.
а) б)
Рис. 3.125. Схема магнитного актюатора (а) и его увеличенное изображение (б)
Общая проблема, связанная с магнитными актюаторами, заключается в том, что обмотки актюатора двумерны (трехмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне). К тому же ограничен выбор магнитного материала – выбираются только те материалы, которые легко обработать на микроуровне, что не всегда бывает оптимальным решением. Во многом из-за этого магнитные актюаторы потребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла. Следует отметить, что для изготовления микроскопических компонентов (размером до нескольких миллиметров) электростатические устройства обычно выгоднее магнитных, однако при увеличенных размерах магнитные устройства превосходят электростатические.
Пьезоэлектрические актюаторы. В основе принципа действия пьезоэлектрических актюаторов лежит прямой пьезоэлектрический эффект – появление электрических зарядов разного знака на противоположных гранях пьезокристаллов при их механических деформациях (сжатии, растяжении, изгибе) и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в деформации этих же кристаллов под действием внешнего электрического поля. На рис 3.126а. показана схема простейшего пьезоэлектрического актюатора, в котором слой пьезоэлектрика осажден на металлическую балку, способную при воздействии электрического поля на пьезоэлектрик прогибаться. Единственное ограничение – пленка должны быть достаточно толстой, чтобы исключить электрический пробой структуры.
а) б)
Рис. 3.126. Схема пьезоэлектрического (а) и гидравлического (б) актюаторов
Гидравлические актюаторы.Простейший гидравлический актюатор показан на рис. 3.126б. Жидкость, подаваемая в актюатор через трубки, может приводить во вращение диск. Несмотря на проблемы, связанные с «прохудившими» клапанами и самоблокировками (проблема многих жидкостных систем) гидравлические актюаторы имеют значительный потенциал, так как они могут передавать довольно значительную энергию от внешнего источника по очень узким трубкам. Это факт можно использовать в таких инструментах, как, например, наконечник медицинского катетера. К особенностям гидравлических актюаторов можно отнести то, что они имеют довольно большие размеры, высокий уровень выходных сил и практически нулевое трение.
Тепловые актюаторы. Их принцип действия основан на линейном или объемном расширении жидкости или газа, а также деформации формы биметаллических пластин при их нагреве или охлаждении (биморфные элементы). Биморфные элементы часто используются в микрозахватах для фиксации микрокомпонентов в автоматизированных линиях сборки гетерогенных МЭМС-устройств. Принцип действия связан с нагревом (чаще всего электрическим током) двухслойной структуры, которая вследствие разных температурных коэффициентов расширения материалов деформируется в ту или иную сторону (рис. 3.127). Если сделать рядом два противоположно изгибающихся биморфных элемента (или просто добавить один неподвижный), то получается устройство простейшего микрозахвата. Нагрев чаще всего осуществляется с помощью сформированных рядом резисторов. При пропускании через резистор тока он нагревается, биморфный элемент деформируется, происходит захват объекта манипулирования. Выключение напряжения на резисторе снимает захват (вследствие охлаждения через подложку). Тепловые актюаторы имеют относительно простую конструкцию, способны создавать относительно большие силы, но их КПД крайне низок, что является сдерживающим фактором.
Рис. 3.127. Биморфный (Si – Al) элемент (стрелкой показано направление изгиба при его нагреве)
Микроакселерометры
Микроакселерометры являются одними из наиболее распространенных МЭМС-устройств, без которых немыслимы современные автомобильная и аэрокосмическая индустрии, информационно-измерительная техника и многое другое. Акселерометры используются в качестве датчиков ускорения в системах стабилизации, безопасности, навигации автомобилей и других транспортных средств. Они используются, например, в фотокамерах (в системах оптической стабилизации изображения и определения ориентации кадра), в жестких дисках ноутбуков (в их противоударной системе, заблаговременно паркующей головки при выявлении ускорений, близких к состоянию свободного падения).
Принцип действия простейшего акселерометра иллюстрирует рис. 3.128. Инерционная масса, закрепленная на специальных подвесах из упругого материала (кремния), при наличии ускорения вдоль оси чувствительности будет смещаться, вызывая деформацию подвеса. Деформация будет вызывать изменение сопротивлений тензорезисторов. Эти изменения сопротивлений преобразуется в выходной электрический сигнал акселерометра.
а) б)
Рис. 3.128. Схема простейшего микроакселерометра (а) и его увеличенное изображение (б)
Существуют и другие типы акселерометров, например, использующие конденсаторный метод преобразования смещения инерционной массы в выходной сигнал (рис. 3.129). В них инерционная масса («грузик») связана с одной из обкладок конденсатора. При наличии ускорения происходит изменение расстояния между обкладками, что вызывает изменение емкости конденсатора. Существуют также МЭМС-акселерометры, использующие другие принципы действия, например, акселерометры, использующие пьезоэффект. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа при наличии ускорения возникает давление инерционной массы на пьезокристалл, что вызывает появление на его поверхности зарядов. Имеются также высокочувствительные акселерометры, принцип действия которых основан на анализе отраженного от дифракционной решетки лазерного луча. Дифракционная решетка в таком акселерометре образована перемежающимися зубьями двух зеркальных гребенок, одна из которых жестко связана с подложкой, а другая – с упругим подвесом.
а) б)
Рис. 3.129. МЭМС-акселерометры конденсаторного типа; а) одноосевой; б) трехосевой