СИСТЕМЫ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Системы микроперемещений (СМП) миниатюрных объектов используются в приборостроении в течение многих десятилетий и связаны в основном с оптико-механическими приборами и часовыми механизмами. Колоссальный скачок в конце 20 и начале 21 веков в развитии технологий, относящихся к производству компьютерной техники, позволил создать принципиально новые устройства микросистемной техники. Если в 60-80 годах прошлого века электронные компоненты были уже созданы и пути дальнейшей миниатюризации были уже четко определены, то перспективы миниатюризации электромеханических систем были туманны. Наилучшими достижениями в этой области были переносные средства противовоздушной обороны типа «Игла» и «Стингер», миниатюрные часовые механизмы, механизмы минифотоаппаратов и магнитофонов для спецслужб, а также миниатюрные электромагнитные реле (например, поляризованное реле РЭС 45 объемом 250 мм3). 

Возросшие требования военной и космической техники, медицины, мониторинга окружающей среды и безопасности атомных электростанций дали толчок к развитию миниатюрных и микро-электромеханических систем (МЭМС). Здесь нужно уточнить, что мы понимаем под терминами «миниатюрные» и «микро-». К миниатюрным электромеханическим системам условно можно отнести устройства, размеры которых лежат в пределах от 10x10x10 мм до 50 х 50 х 50 мм, все, что имеет меньшие габариты можно отнести микросистемам. СМП включают в себя устройства, обеспечивающие движение выходного звена на расстояние до миллиметра с минимальным шагом до десятых долей микрометра. Кроме того, МЭМС могут быть элементами СМП, в частности рабочими органами.

Существуют СМП для движения на уровне микрометров с минимальным шагом до 0,15 ангстрем. Они используются для исследования микрорельефа поверхности при помощи сканирующих туннельных микроскопов и относятся к области нанотехники.

Огромные финансовые вложения в производство микроэлектронной техники и в частности в производство больших интегральных схем на базе кремния позволили найти перспективный путь и для микромеханических устройств и систем. Поверхностная и объемная микрообработка полупроводниковых материалов, основанная на методах фото- и рентгенолитографии (LIGA-технология), позволяет создать микрообъекты практически любой формы с размерами до единиц микрометров. Эти технологии, дающие возможность точного управления глубиной травления, формированием боковых стенок и каналов внутри массива полупроводникового материала, позволяют производить объемные механические структуры, которые имеют относительно высокие прочность и жесткость, необходимые для передачи усилий и крутящих моментов в микромеханических передачах.

Таким образом, основой развития МЭМС является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния. Сверхминиатюризация электромеханических систем за счет интегрирующего эффекта при сочетании в едином объеме устройства, как приводных элементов, так и управляющих элементов, является наглядным примером эффективности принципов мехатроники. Этому способствует общая технология изготовления электронных компонентов и механических деталей.
 

Рост числа экспериментальных и внедряемых проектов, объединенных единым технологическим подходом к изготовлению всех компонентов микросистемной техники - приводов с передачей механической энергии к рабочему органу (выходному звену системы), сенсорной, управляющей и вычислительной. 

Важным результатом такого комплексного подхода к разработкам является то, что в сравнительно малом объеме находятся большинство элементов автоматизированной системы. Становится прогнозируемым следующий логический шаг в развитии СМП: переход к бионическим по сущности структурам, имеющим общие признаки с биологическими объектами. Как известно, наиболее развитые живые организмы имеют иерархическую структуру управления движением отдельных частей тела: центральную и периферическую нервную системы. Причем периферическая нервная система обеспечивает управление на уровне элементарных движений, центральная нервная система осуществляет целевое управление, внося коррективы в движение исходя из информации, полученной от органов чувств (сенсоров). Построенные по этой аналогии с биологическими организмами мехатронные СМП будут иметь качества живых организмов, прошедших эволюцию и естественный отбор в течение миллионов лет.

Учитывая выше сказанное, нужно подчеркнуть, что создание СМП основывается не только на технологиях производства электронных компонентов, но и на традиционных технологиях точного машиностроения и приборостроения. Модули грубых перемещений этих систем, а также относительно крупногабаритные механические элементы экономически более выгодно изготавливать по традиционным технологиям.

Анализируя патентные и литературные источники, можно определить основные перспективные направления развития СМП. По своему назначению и функциональным возможностям эти системы можно разделить на микроманипуляционные системы (ММС), автономные микророботы(АМР) и приборные СМП.

ММС - это автоматизированные электромеханические системы, предназначенные для совершения технологических операций или для перемещения (манипулирования) мини- и микрообъектов. К ним относятся ММС для механической сборки микромеханических устройств. Такие системы, аналогичные по своим функциям и особенностям работы сборочным роботам-манипуляторам точного машиностроения, отличаются более высокой точностью позиционирования и меньшими ходами. В зависимости от объектов сборки ход рабочего органа может варьироваться в пределах 0,2 мм до 5 мм, а точность позиционирования (или степень разрешения) от 0,5 мкм до 0,05 мм. ММС для технологических операций предназначены для микросварки, пайки, склеивания микрообъектов, а также для операций контроля и тестирования параметров микроустройств (например, измерение сопротивления электрических микроцепей). Их характеристики аналогичны предыдущему случаю, специфика их состоит в том, что рабочий орган должен оказывать на объект определенное и контролируемое силовое давление в пределах от 10'3 Н до 0,1 Н.

В настоящее время получили широкое распространение ММС, предназначенные для биологических технологий и исследований. Операции искусственного оплодотворения яйцеклетки стали возможными, начиная с девяностых годов прошлого века, благодаря применению таких ММС. В Цитологии для исследования электрических потенциалов клеточных мембран применяют ММС с более высоким разрешением, чем в предыдущем случае (степень разрешения порядка 0,05 мкм).

Первые офтальмологические микрооперации при помощи ММС стали осуществляться в конце 90-х годов. Микроманипуляторы позволяют проводить операции на сосудах, питающих глазной нерв. Однако они еще выполняют только вспомогательные
действия. Здесь точность отработки движений - порядка 0,05 мм. В перспективе возможно проведение таких операций на расстоянии, т.е. высококвалифицированный хирург и одновременно оператор микроманипулятора может находиться в своей клинике, а пациент в операционной находится в любом месте, где есть доступ к Интернету. Дистанционное управление возможно только при наличии высоконадежной связи и оснащенности системы сенсорными устройствами. Поэтому в этой области перспективы весьма широки.

Для микротехнологий в фармакологии нужны микроманипуляторы, имеющие большую степень разрешения, чем выше перечисленные. Здесь речь идет о воздействии на молекулы органических соединений. ММС, применяемые в туннельных микроскопах для сканирования микрорельефа различных материалов, имеют порядок разрешения = 10-100 нм.