МИКРОМЕХАНИКА - ОСНОВА МЕХАНИКИ РОБОТОВ И ВСЕЙ МЕХАНИКИ

Приводы и преобразовательные элементы

Исследования в области интеграции нано-, микро- и макросистем, включая динамику миниатюрных электромеханических систем, позволили изучить неизвестные ранее закономерности в микромире, что направлено на развитие методов расчета высокоточных быстродействующих миниатюрных транспортных систем, движения миниатюрных спутников, систем микроуправления, прецизионной техники в различных отраслях - медицине, машиностроении, авиакосмической технике, нефтегазовой промышленности в военной сфере.

Достижения микромеханики-механики способствуют развитию мобильных миниатюрных роботов, беспилотных летательных аппаратов, минисубмарин, микророботов, перемещающихся по нерегулярно расположенным в пространстве поверхностям.

СМП - Системы микроперемещений

МЭМС - Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

ММС - Микроманипуляционные системы (ММС)

В зависимости от быстродействия, ходов и точности отработки движений рабочих органов ММС, а также выходных звеньев приборных СМП, применяют разные электромеханические преобразователи, являющиеся приводными элементами систем.
Для СМП характерны следующие типы элементов, преобразующих энергию электромагнитного поля в механическую энергию. Их можно разделить на две группы:

•приводы непосредственного преобразования электрической энергии в механическую,

•приводы многоступенчатого преобразования электрической энергии в механическую: сначала в тепловую или иную, например, волновую энергию (либо механических волн, либо электромагнитных волн, в частности волн оптического диапазона), а потом в механическую энергию однонаправленного движения выходного звена СМП.

Приводы непосредственного преобразования энергии достаточно широко применяют в микротехнических системах, к ним относятся следующие (они расположены по возрастающему значению быстродействия).

1.Мини- и микроэлектродвигатели постоянного тока и шаговые вращательного и линейного типов.

2.Электромагнитные приводы.

3.Магнитострикционные приводы.

4.Пьезоэлектрические и электрострикционные приводы.

5.Электростатические приводы.

6.Электроосмотические приводы.

7.Электрогидродинамические приводы.

Как правило, эти приводы имеют высокое быстродействие. Наихудшее быстродействие у систем, преобразующих энергию электромагнитного поля в механическую энергию (постоянная времени г = 10 - 50 мс). Это связано с проявлением инерционности индуктивной составляющей преобразователя и относительно большой массой ротора. Заслуживает внимания пневматический электромагнитный микроклапан, предназначенный для управления малыми потоками. Микроклапан с электромагнитным управлением. Головка клапана, выполненного из сплава Ni-Fe, поджимается пружиной к седлу клапана. Она перемещается вертикально в магнитном поле, возбуждаемом внешним электромагнитом. Этот клапан был разработан как регулятор расхода для использования в устройствах высокого вакуума. Клапан управляется магнитным полем, при этом сигнал имеет прямоугольную форму и частоту от 0,1 Гц до 100 Гц, а величина расхода газа регулируется в диапазоне от 3x10 торр-литр/мин до 2,4х10_торр-литр/мин при давлении 4,6x10'7 торр.
Торр (Torr) - Торр (миллиметр ртутного столба) — внесистемная единица измерения давления.

Микроклапан может быть установлен внутри маленькой трубки с внешней катушкой, находящейся вне трубки. Микроклапаны могут также приводиться в действие комбинацией электромагнитных и электростатических сил. 

Ток, протекающий по мембране, перпендикулярной магнитному полю, вызывает перемещение (открытие отверстия), определяемое силой Лоренца. Для удержания клапана в закрытом состоянии при помощи электростатических сил, при противодействии определённого давления газа, напряжение подается между мембраной и противоположным электродом. Для электромагнитного и электростатического привода обычно используются импульсы тока величиной 200 мА при напряжении 30 В. Время срабатывания - менее 0,4 мс.

Магнитострикционные преобразователи имеют лучшие показатели быстродействия, однако они нуждаются в питании относительно большими токами (1-5 А), приводящими к омическому нагреву микросистемы, что в большинстве случаев нежелательно.

Пьезоэлектрические и электрострикционные преобразователи имеют лучшее быстродействие: г = 1 - 20 мс. В этих устройствах на быстродействие оказывает влияние относительно большая электрическая емкость соединенных параллельно пьезо- или электрострикционных элементов. Электрические токи в них на один - два порядка ниже, чем у электромагнитных приводов, поэтому тепловые деформации в них незначительны.

По своим силовым характеристикам они опережают все остальные типы приводов. Их существенным недостатком является наличие гистерезиса зависимости напряжение - перемещение. Усилие, вызванное столбиком, состоящим из дисков пьезоэлектрика, может быть весьма большим, но ход при этом мал. Например, давление порядка 35 МПа при приложенном напряжении в 150 В было получено набором 64-х тонких пьезокерамических дисков с размером 1,4x3x9 мм. Этот столбик имеет время срабатывания около 0,1 мс и максимальный ход около 0,8 мкм.

Перспективно использование пьезоприводов для микронасосов. Перистальтическое движение пьезоэлектрических приводов используется в микронасосе. Он имеет три активных клапана. Нагнетание осуществляется, когда для получения перистальтического движения эти клапаны приводятся в действие при помощи пьезоэлектрических дисков, наклеенных на мембрану. Скорость нагнетания достигает 100 мл/мин при напряжении питания 80 В. Напряжение обратной полярности используется для удержания клапанов в закрытом состоянии в соответствующий период времени.

Микронасосы, в состав которых входят обратные клапаны, имеют существенный недостаток - ограничение по частоте из-за низкого быстродействия обратных клапанов. Пьезоэлектрический микронасос может быть сделан без обратных клапанов, но с использованием сопел или ограничителей, которые действуют тем же образом. Такой насос может работать на частотах в сотни герц.

Наилучшим быстродействием обладают микроприводы электростатического типа: г = 10'2 - 10'1 мс, однако зависимость напряжение - перемещение является нелинейной функцией, а силовые характеристики их наихудшие из рассматриваемых приводов. Электростатический привод в его самом простом виде имеет подвижный плоский электрод и неподвижный электрод. Сила, развиваемая приводом, пропорциональна квадрату приложенного напряжения и обратно пропорциональна квадрату расстояния (зазора) между электродами. Например, с приложенным напряжением в 10 В и зазором 10 мкм (в зазоре - воздух) статическое давление имеет величину 4,4 Па. Если напряжение увеличивается до 100 В и зазор уменьшается до 5 мкм, то давление увеличивается в 400 раз. 

Микроклапан консольного типа, полученный микрообработкой поверхности кремния. Сила, возникающая в этом клапане, мала при большом межэлектродном зазоре. Управляемый диапазон давлений также ограничен десятками килопаскалей. Здесь стоит отметить, что на этом же принципе основан привод микрозеркал в оптоволоконных переключателях.

Для увеличения силы привода миниатюрного клапана, давление жидкости может использоваться так, чтобы скомпенсировать силу, возникающую на движущихся частях клапана вследствие перепада давления. Клапан выполнен из собранных в столбик (расположенных друг над другом) спаянных (спечённых) кремниевых структур. 
Давление жидкости действует одновременно сверху и снизу на подвижную часть клапана. Поэтому сила, требуемая для приведения в действие клапана, пропорциональна разности площадей верхней и нижней частей клапана.

Необходимо подчеркнуть, что пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи являются твердотельными элементами приводов. Поэтому их жесткость на порядок выше, чем жесткость электромагнитных и электростатических преобразователей, в которых удержание подвижного элемента относительно неподвижного статора осуществляется за счет электромагнитного или электростатического поля.

В приводах, основанных на электроосмотическом эффекте, и в электрогидродинамических приводах энергия электрического поля сначала преобразуется в механическую энергию движущейся жидкости, а затем при помощи упругих микромембран или микросильфонов в движение выходного звена СМП. Эти приводы можно отнести к гидроприводам с замкнутой циркуляцией жидкости.

Для управления потоками жидкости на плоской стеклянной подложке может быть изготовлена система капиллярных каналов таким образом, чтобы получить возможность переключения потока жидкости между каналами.

Электрогидродинамические микронасосы для перемещения заряженных жидкостей. Под действием микронасоса жидкость циркулирует по замкнутой гидравлической системе, приводя в действие либо микротурбинку, либо плунжер. Движение жидкости вызывается силой Кулона, наводимой благодаря разности потенциалов между двумя электродами микронасоса. При высокой напряженности электростатического поля происходит переход ионов из электродов в жидкость. Этот процесс может управляться соответствующими электрохимическими реакциями в паре электрод - жидкость и зависит от состава материала и геометрии электродов. Так как введённые ионы перемещаются под действием электростатических сил притяжения, зазор между электродами должен быть как можно меньше. Получен максимальный расход 12 мл/мин и максимальное выходное Давление 2,4 кПа при напряжении 700 В.

Вторая группа приводов, имеющих многоступенчатое преобразование электрической энергии в механическую, может быть классифицирована следующим образом. К ним, во-первых, относятся микроприводы с преобразованием энергии электрического тока в тепловую энергию и далее с преобразованием тепловой энергии в механическую. Во-вторых, это микроприводы, в которых электрическая энергия сначала преобразуется в энергию электромагнитных волн (в частности, видимого диапазона), далее из энергии излучения - в тепловую энергию и затем - в механическую энергию.

1.Микроприводы на основе биметаллов.

2.Микроприводы на основе металлов с памятью формы.

3.Микроприводы на основе фазового перехода.

4.Термолазерные приводы.

Микроприводы на основе биметаллов в основном используются для привода створки микроклапана. Большую силу и приемлемое перемещение можнс ожидать от биметаллического привода, использующего соответствующую комбинацию двух металлических сплавов. Полученное давление пропорционально разности коэффициентов теплового расширения этих сплавов и перепада температур. Несмотря на то, что для биметаллического привода может использоваться ряд комбинаций материалов, использование кремниевой диафрагмы и слоя алюминия наиболее перспективно. Диоксид кремния в "шарнире" между внешней кромкой мембраны и кремниевым корпусом обеспечивает надежную работу клапана и уменьшает тепловые потери в подложке. При диафрагме диаметром 3 мм и толщиной 10 мкм, выполненной из алюминия, клапан работает при давлении - 34 кПа и температуре 100°C. Нагревание биметаллического соединения происходит за счет пропускания тока через алюминиевый слой. Охлаждение осуществляется за счет теплоотводящего потока жидкости, непрерывно протекающей вокруг привода. Время обратного хода также является фактором определяющим быстродействие (время срабатывания г = 100 - 500 мс ).

Диафрагма с биметаллическим приводом значительно увеличивает силу по сравнению с биметаллической консольной пластиной при том же вертикальном перемещении. Такие диафрагменные клапаны были разработаны для управления давлением и потоками жидкости и газа.

Миниатюрные приводы могут быть сделаны с использованием сплавов, обладающих эффектом памяти формы. Спираль из такого сплава возвращается в свое исходное положение, когда нагревается выше критической температуры. При использовании проволоки диаметром 0,5 мм, смотанной в спираль диаметром 3 мм, поршень микроклапана перемещается на 1 мм при давлении около 0,2 МПа. Критическая температура в 50° С, необходимая для срабатывания устройства, достигается при использовании спирали непосредственно в качестве электронагревателя. Для обеспечения приемлемого быстродействия (г = 100 - 500 мс), требуется ток около 1 А. В этих устройствах трудно управлять точным перемещением, поэтому они могут использоваться только для перемещения рабочего органа из одного крайнего положения в другое.

Микроприводы на основе теплового фазового перехода "жидкость-газ" также можно использовать только для перемещения из одного фиксированного положения в другое. Термопневматический привод на основе этого эффекта имеет подвижную диафрагму с герметичной камерой. Жидкость в камере нагревается и переходит в газообразное состояние за счет тока, идущего через сопротивление, помещённое внутрь камеры. Время включения зависит от мощности нагревателя и теплоёмкости, а время выключения (открытия) определяется теплопередачей в окружающую среду. 

Принцип действия термопневматического микроклапана: Нагреватель выполнен вакуумным напылением резистивного слоя на стеклянную подложку. При использовании фазового перехода жидкого хлорида метила, давление внутри камеры достигает 0,07 МПа за 5 мс при мощности нагревателя 200 мВт.

Действие термопневматического микроклапана.
Динамический диапазон работы этого клапана может быть увеличен подбором формы полости, температуры кипения жидкости и соотношения количества газа и жидкости в камере в начальный момент времени.

Термолазерный привод отличается от биметаллического привода и привода на основе эффекта памяти формы только тем, что преобразование электрической энергии происходит сначала в энергию когерентного излучения. Далее луч нагревает поверхность металла и происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Такой метод преобразования энергии выгодно отличается от предыдущих тем, что в термолазерном приводе отсутствует электрическая цепь нагревателя.

Таким образом, современный уровень техники дает большой спектр физических эффектов, применяемых в приводах СМП (СМП - Системы микроперемещений).

Можно сделать следующие выводы.

Наиболее часто встречаемые приводы - это электромеханические и электромагнитные, как наиболее универсальные. Далее по распространенности следуют пьезоэлектрические и электростатические. Остальные типы "экзотических" приводов в настоящее время являются объектами исследований.

-По быстродействию лучшими является электростатические приводы.

-По силовым характеристикам - пьезоэлектрические и магнитострикционные приводы (работающие на растяжение-сжатие).

-По компактности с учетом использования технологий электронных компонентов наиболее перспективными для приборных микросистем являются электростатические приводы и приводы на основе преобразования тепловой энергии в механическую.

- Электромеханические (микроэлектродвигатели), электромагнитные и пьезоэлектрические приводы имеют наибольшую перспективу для осуществления точного позиционирования рабочих органов ММС и АМР.