ec 2001 01 03

ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ XXI ÂÅÊÀ

ØÀÃÎÂÛÅ ÅÌÊÎÑÒÍÛÅ ÂÛÑÎÊÎÝÍÅÐÃÎÅÌÊÈÅ ÌÈÊÐÎÄÂÈÃÀÒÅËÈ Ýäóàðä Êîñöîâ, ê. ô.-ì. í., Èíñòèòóò Àâòîìàòèêè è ýëåêòðîìåòðèè ÑÎ ÐÀÍ Ðàáîòà ïëàíàðíûõ ìèêðîäâèãàòåëåé îñíîâàíà íà ýôôåêòå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî íàêàòà òîíêèõ ìåòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê íà ïîâåðõíîñòü ñåãíåòîýëåêòðèêà. Ìèêðîäâèãàòåëè îòëè÷àþòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî âûñîêîé ýíåðãîåìêîñòüþ – 0,3...1 Äæ/ì2 ïðè 10...50  è ïðåöèçèîííîñòüþ ïåðåìåùåíèÿ – øàãîì 10 Å...100 ìêì. Èõ íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ñîèçìåðèìî ñ ðàáî÷èìè íàïðÿæåíèÿìè óñòðîéñòâ ìèêðîýëåêòðîíèêè, ÷òî ïîçâîëÿåò ãîâîðèòü î ñîçäàíèè ìèêðîìåõàíè÷åñêèõ ìèêðîñõåì (MEMS). Ââåäåíèå Ïëàíàðíûå ìèêðîäâèãàòåëè øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â ñòðóéíûõ ïðèíòåðàõ, ìèêðîîïòèêå, ìèêðîìåõàíèêå (â òîì ÷èñëå, ïðåöèçèîííîé), ìèêðîíàñîñàõ, ìèêðîëåòàòåëüíûõ àïïàðàòàõ, ìèêðîýëåêòðîíèêå è ò.ä. Èçâåñòíû ÷åòûðå îñíîâíûõ òèïà òàêèõ ìèêðîäâèãàòåëåé: – ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå âîçäóøíûå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè (ÝÂÏÄ); – ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè (ÏÝÏÄ); – ýëåêòðîòåïëîâûå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè (ÝÒÏÄ); – ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå äèýëåêòðè÷åñêèå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè (ÝÄÏÄ); – ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå ñåãíåòî-ýëåêòðè÷åñêèå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè (ÝÑÏÄ). Ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå âîçäóøíûå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè Ðàçðàáàòûâàþòñÿ ÝÂÏÄ âðàùàòåëüíîãî è âîçâðàòíî-ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ [1].  ïåðâûõ ðîòîð êðåïèòñÿ â ïîäøèïíèêàõ, à âî âòîðûõ – ñêîëüçèò ïî íàïðàâëÿþùèì. Îñíîâíîå îòëè÷èå ýòèõ ïðèáîðîâ îò êëàññè÷åñêèõ ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ äâèãàòåëåé – ìàëûé çàçîð ìåæäó ñòàòîðîì è ðîòîðîì – 1...2 ìêì (â êëàññè÷åñêèõ ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ìàøèíàõ – 1...2 ìì). Ìàëûé çàçîð â ìåæýëåêòðîäíîì ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëÿåò îòíîñèòåëüíî âûñîêóþ ïëîòíîñòü «íàêà÷èâàåìîé» â îáðàçåö ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè è, ñëåäîâàòåëüíî, ýôôåêòèâíîñòü äâèãàòåëÿ. Ìîæíî ñîçäàâàòü íàäåæíûå äâèãàòåëè ýòîãî òèïà, íàïðèìåð ìèêðîäâèãàòåëü âðàùåíèÿ ñ äèàìåòðîì ðîòîðà 100 ìêì, ïðè ñëåäóþùèõ ïàðàìåòðàõ: – íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ 100 Â; – ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ðîòîðà 50 000 îá/ìèí; – ìîùíîñòü 10–6 Âò. Òåëåôîí/ôàêñ ðåäàêöèè (095) 925-6047

Íåäîñòàòîê ÝÂÏÄ – â òîì, ÷òî â íèõ ñëîæíî ñóììèðîâàòü ìîùíîñòè, è ýòî çàòðóäíÿåò èõ ïðèìåíåíèå â òî÷íîé ìåõàíèêå. Êðîìå òîãî, äëÿ èçãîòîâëåíèÿ äåòàëåé ñ òî÷íîñòüþ 0,1 ìêì èñïîëüçóþòñÿ äîðîãîñòîÿùèå îïåðàöèè – ãëóáîêîå ïðåöèçèîííîå õèìè÷åñêîå òðàâëåíèå è ò.ï. Ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè Ïî êîíñòðóêöèè ÏÝÏÄ [2] ïîõîæè íà êëàññè÷åñêèå ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå äâèãàòåëè ñ êåðàìè÷åñêèì ýëåìåíòîì â âèäå êîíñîëè, îäèí êîíåö êîòîðîé çàôèêñèðîâàí, à äðóãîé – êîëåáëåòñÿ, ñîâåðøàÿ ýëëèïñîèäàëüíîå äâèæåíèå. Îñíîâíîé ýëåìåíò ÏÝÏÄ èçãîòàâëèâàåòñÿ èç ïëåíî÷íîãî êîíäåíñàòîðà, â êîòîðîì äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïëåíêà âûïîëíÿåòñÿ èç íåîðãàíè÷åñêèõ èëè îðãàíè÷åñêèõ ïüåçîýëåêòðèêîâ, íàïðèìåð, èç ïîëèâèíèëäåâåíèëôòîðèäà. Èçãîòîâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå îáðàçöû ÏÝÏÄ â âèäå ìíîãîñëîéíûõ ïëåíî÷íûõ êîíñîëåé – îíè ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â ìèêðî- è ýëåêòðîîïòèêå. Ýôôåêòèâíîñòü ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè â êîíñîëÿõ ÏÝÏÄ íèçêà èç-çà ìàëîãî êîýôôèöèåíòà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñâÿçè â ïëåíî÷íûõ ïüåçîýëåêòðèêàõ, ïîýòîìó òðóäíî íàéòè ñïîñîá ýôôåêòèâíîé ïåðåäà÷è ýíåðãèè äâèæåíèÿ êîíñîëåé íà ïîäâèæíûé ðîòîð. Ýëåêòðîòåïëîâûå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè ÝÒÏÄ [3] – ýòî òîíêîïëåíî÷íûå àíàëîãè «áèìåòàëëè÷åñêèõ» óñòðîéñòâ, èñïîëüçóåìûõ, íàïðèìåð, â àâòîìàòàõ îòêëþ÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòåé. Ïîäâèæíûé ýëåìåíò ÝÒÏÄ âûïîëíÿåòñÿ â âèäå òðåõñëîéíîé ïëåíî÷íîé êîíñîëè èç îðãàíè÷åñêèõ ïëåíîê ñ ðàçíûìè êîýôôèöèåíòàìè òåðìè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ, ïðè÷åì ñðåäíèé ñëîé – ìåòàëëè÷åñêàÿ ïëåíêà – ñëóæèò íàãðåâàòåëüíûì ýëåìåíòîì. Èçâåñòíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå îáðàçöû ÝÒÏÄ â âèäå ìàòðèö ìíîãîñëîéíûõ ïëåíî÷íûõ ýëåêòðîòåïëîâûõ êîíñîëåé. Ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ê ýòèì ìèêðîäâèãàòåëÿì îáóñëîâëåí âîçìîæíîñòüþ ïîëó÷åíèÿ íèçêèõ íàïðÿæåíèé ýëåêòðîïèòàíèÿ (íèæå 10 Â), íî ïðè çíà÷èòåëüíûõ òîêàõ (5...50 ìÀ). Ýíåðãåòè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü ÝÒÏÄ íèçêà – ìåíåå 5%.  ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îáðàçöàõ ÝÒÏÄ ýëåêòðîòåïëîâûå êîí«ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ» ¹1 2001

ñîëè ïåðåäàþò äâèæåíèå íà ïîäâèæíóþ ïëàñòèíó-ðîòîð áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî êàñàþòñÿ åå ïî ïëîñêîñòè ïîä íåáîëüøèì óãëîì. Òàêèì îáðàçîì, ïåðåäà÷à ýíåðãèè îò ñòàòîðà, âûïîëíåííîãî â âèäå ìàòðèöû ýëåêòðîòåïëîâûõ êîíñîëåé, ðàñïîëîæåííûõ íà íåïîäâèæíîé ïëàñòèíå, ê ïëàñòèíå-ðîòîðó îñóùåñòâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî íåýôôåêòèâíî. Ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå äèýëåêòðè÷åñêèå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè  ÝÄÏÄ [4] äâèæåíèå ñîçäàåòñÿ ïðè ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì íàêàòå ìåòàëëèçèðîâàííîé îðãàíè÷åñêîé ïëåíêè íà ïîâåðõíîñòü ìåòàëëà èëè äèýëåêòðèêà (ñëîè SiO2 èëè Àl2O3) â çàâèñèìîñòè îò òîãî, â êàêóþ ñòîðîíó îáðàùåí ñëîé ìåòàëëèçàöèè. Îñíîâíîé ýëåìåíò ÝÄÏÄ – ïëåíî÷íàÿ ïåòëÿ äèàìåòðîì íåñêîëüêî ìèëëèìåòðîâ èç ìåòàëëèçèðîâàííîé ïëåíêè ïîëèýòèëåíòåðåôòàëàòà. Õàðàêòåðíàÿ îñîáåííîñòü ÝÄÏÄ – íàêîïëåíèå îáúåìíîãî çàðÿäà â äèýëåêòðèêå ïðè êàæäîì òàêîì ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì íàêàòå. Ýòîò çàðÿä ôîðìèðóåòñÿ íà ãëóáîêèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ öåíòðàõ (ëîâóøêàõ), õàðàêòåðíûõ äëÿ øèðîêîçîííûõ íåêðèñòàëëè÷åñêèõ äèýëåêòðèêîâ è ïðåïÿòñòâóåò ïîâòîðíîìó íàêàòó ìåòàëëè÷åñêîé ïëåíêè. Óìåíüøèòü âëèÿíèÿ îáúåìíîãî çàðÿäà ìîæíî çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ áîëåå ñëîæíîé ôîðìû – èõ íàïîëíåíèåì áîëåå êîðîòêèìè èìïóëüñàìè ñ ðàçíîé ïîëÿðíîñòüþ. Îäíàêî â ýòîì ñëó÷àå çíà÷èòåëüíî ñíèæàåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü ìèêðîäâèãàòåëÿ. Ýëåêòðîñòàòè÷åñêèå ñåãíåòîýëåêòðè÷åñêèå ïëàíàðíûå äâèãàòåëè ÝÑÏÄ – íîâûé òèï ìèêðîäâèãàòåëåé.  íèõ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè îñíîâàíî íà ýôôåêòå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî íàêàòà òîíêèõ ìåòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê (ëåïåñòêîâ) íà ïîâåðõíîñòü ñåãíåòî-ýëåêòðè÷åñêèõ ïëåíîê. Òàêèå äâèãàòåëè ìîãóò ñîçäàâàòüñÿ ïî òåõíîëîãèè ìèêðîýëåêòðîìåõàíèêè (MEMS). Îòëè÷èå ÝÑÏÄ-ìèêðîäâèãàòåëåé îò ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ñ âîçäóøíûì çàçîðîì 1...3 ìêì ìåæäó ðîòîðîì è ñòàòîðîì – áîëüøîå çíà÷åíèå äèýëåêòðè÷åñêîé ïîñòîÿííîé (ε) ñåãíåòîýëåêòðè÷åñêèõ ïëåíîê. Ýòî ïîçâîëÿåò «íàêà÷èâàòü» â îáðàçåö î÷åíü áîëüøóþ ýíåðãèþ 11

ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ XXI ÂÅÊÀ

– 0,3...3 Äæ/ì2 è áîëåå ïðè íèçêèõ ðàáî÷èõ íàïðÿæåíèÿõ. ÝÑÏÄ è ÝÄÏÄ ìîæíî íàçâàòü äèýëåêòðè÷åñêèìè ìèêðîäâèãàòåëÿìè. Èõ ïðèíöèïèàëüíûå îòëè÷èÿ ñâÿçàíû ñ óíèêàëüíûìè ñâîéñòâàìè ñåãíåòîýëåêòðèêîâ: – áîëüøèì çíà÷åíèåì äèýëåêòðè÷åñêîé ïîñòîÿííîé ε, êîòîðàÿ ïðåâîñõîäèò çíà÷åíèå ε ëèíåéíûõ äèýëåêòðèêîâ íà 2...3 ïîðÿäêà. Ýòî îïðåäåëÿåò âîçìîæíîñòü «íàêà÷êè» â îáðàçåö áîëüøîé ýíåðãèè è èñïîëüçîâàíèÿ íèçêèõ ðàáî÷èõ íàïðÿæåíèé; – íåëèíåéíîé, è èìåþùåé âûõîä íà ó÷àñòîê íàñûùåíèÿ, çàâèñèìîñòüþ ïîëÿðèçàöèè îò íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ïðè ýòîì êîýðöèòèâíûå ñèëû ïîëåé î÷åíü íèçêè – äî (1...3) × 104 Â/ñì; – íàìíîãî ìåíüøåé êîíöåíòðàöèåé öåíòðîâ çàõâàòà íîñèòåëåé çàðÿ-

äà è èõ ýíåðãåòè÷åñêîé ãëóáèíîé – ñëåäñòâèÿìè ñîâåðøåííîé êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû ñåãíåòîýëåêòðèêà. Ïî ñðàâíåíèþ ñ ÝÄÏÄ, ìèêðîäâèãàòåëè ÝÑÏÄ îáëàäàþò åùå è äðóãèìè ïðåèìóùåñòâàìè: – ìåíüøèìè ðàáî÷èìè íàïðÿæåíèÿìè; – áîëåå âûñîêîé ìåõàíè÷åñêîé è ýëåêòðè÷åñêîé íàäåæíîñòüþ; – ïðîñòîé ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ; – áîëüøåé òåõíîëîãè÷íîñòüþ. Ïåðå÷èñëåííûå ñâîéñòâà ñåãíåòîýëåêòðèêîâ îïðåäåëÿþò áîëåå âûñîêóþ ýôôåêòèâíîñòü ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè ïðè ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì íàêàòå, ÷åì â ÏÝÏÄ ïðè èñïîëüçîâàíèè îáðàòíîãî ïüåçîýëåêòðè÷åñêîãî ýôôåêòà. Ýëåêòðîñòàòè÷åñêèé íàêàò ìåòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê (ëåïåñòêîâ) ïîçâîëÿåò ñíèçèòü ìåæýëåêòðîäíûé çàçîð äî

Ðèñ. 1. Ñõåìà äåéñòâèÿ ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ìèêðîäâèãàòåëÿ 12

«ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ» ¹1 2001

ìèíèìóìà, îïðåäåëÿåìîãî øåðîõîâàòîñòüþ ïîâåðõíîñòåé ìåòàëëè÷åñêîé ïëåíêè è ñåãíåòîýëåêòðèêà – íà óðîâíå 30...100 Å. Ïåðåìåùàþùèéñÿ ïî ïîâåðõíîñòè ñåãíåòîýëåêòðèêà ëåïåñòîê ñïîñîáåí ïðè èçãèáå ïåðåäàòü äâèæåíèå âíåøíåìó ïîäâèæíîìó îáúåêòó (ïëàñòèíå-ðîòîðó) è, òàêèì îáðàçîì, îñóùåñòâèòü ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè. Ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ ó÷àñòêà ëåïåñòêà, íàêàòûâàþùåãîñÿ íà ñåãíåòîýëåêòðèê, îïðåäåëÿåòñÿ àìïëèòóäîé íàïðÿæåíèÿ, à íàêàïëèâàåìàÿ è ïðåîáðàçóåìàÿ â ìåõàíè÷åñêóþ ýíåðãèÿ – òîëùèíîé ñåãíåòîýëåêòðè÷åñêîé ïëåíêè è çíà÷åíèåì ε. Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî äàâëåíèå â ìåæýëåêòðîäíîì ïðîñòðàíñòâå â ìîìåíò êàñàíèÿ äâóõ ïîâåðõíîñòåé – íà÷èíàÿ ñ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè 100 Å è ìåíåå – äîñòèãàåò çíà÷åíèé 10...15 ÌÏà. Ïðè ýòîì ñèëà íàòÿæåíèÿ ìåòàëëè÷åñêîé ïëåíêè ïðèáëèæàåòñÿ ê 300...500 Í/ìì2. Ïðèíöèï ðàáîòû Ïðèíöèï ðàáîòû ÝÑÏÄ-ìèêðîäâèãàòåëÿ ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàí íà ðèñ. 1. Íåïîäâèæíàÿ ïëàñòèíà-ñòàòîð 1 (ñàìàÿ ëåâàÿ öèôðà íà ðèñ. 1) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðåìíèåâóþ ïîäëîæêó 7, íà ïîâåðõíîñòü êîòîðîé ïîñëåäîâàòåëüíî íàíåñåí ýëåêòðîä 6, à çàòåì ñåãíåòîýëåêòðè÷åñêàÿ ïëåíêà 5. Ïîäâèæíàÿ ïëàñòèíà-ðîòîð 2 ñ ñèíòåçèðîâàííûìè íà åå ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêèìè ëåïåñòêàìè 3 äëèíîé L îòäåëåíà îò ñòàòîðà çàçîðîì de è ïåðåìåùàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ñòàòîðà ïî íàïðàâëÿþùèì (îïîðàì) 4. Ïðè ïîäà÷å èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ëåïåñòêîì 3, íàõîäÿùèìñÿ â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè À, è ýëåêòðîäîì 6 ïðîèñõîäèò ýëåêòðîñòàòè÷åñêèé íàêàò ÷àñòè ïîâåðõíîñòè ëåïåñòêà íà ïîâåðõíîñòü ñåãíåòîýëåêòðèêà (ñîñòîÿíèå Â). Ïåðåìåùàþùàÿñÿ ìåòàëëè÷åñêàÿ ïëåíêà èçãèáàåòñÿ (ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò åå íàòÿæåíèå) è ïåðåäàåò èìïóëüñ äâèæåíèÿ ïëàñòèíå 2, îñóùåñòâëÿÿ, òàêèì îáðàçîì, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè. Äëèíà íàêàòà lr(t) âîçðàñòàåò âî âðåìÿ äåéñòâèÿ èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ tp – ïðè ýòîì èçìåíÿåòñÿ âî âðåìåíè è øàã h(t) ïåðåìåùåíèÿ ðîòîðà. Ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåéñòâèÿ èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ëåïåñòîê ïîä äåéñòâèåì óïðóãèõ ñèë, âîçíèêàþùèõ ïðè åãî èçãèáå, âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ïîëîæåíèå À (ïðè îäèíî÷íîì èìïóëüñå íàïðÿæåíèÿ) èëè ïåðåõîäèò â íîâîå ïîëîæåíèå Ñ, õàðàêòåðíîå äëÿ íåïðåðûâíîãî äâèæåíèÿ ðîòîðà (ïðè ïîäà÷å íà îáðàçåö ñåðèè E-mail: [email protected]

ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ XXI ÂÅÊÀ

èìïóëüñîâ). Ïðè ýòîì ðîòîð ïðîäâèãàåòñÿ ïî èíåðöèè íà ðàññòîÿíèå hΣ . Îò äëèòåëüíîñòè ïðîöåññà îòëèïàíèÿ ëåïåñòêà îò ïîâåðõíîñòè ñåãíåòîýëåêòðèêà çàâèñèò ìèíèìàëüíûé èíòåðâàë âðåìåíè ìåæäó ñîñåäíèìè èìïóëüñàìè íàïðÿæåíèÿ (ìàêñèìàëüíàÿ ÷àñòîòà ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ) è ìîùíîñòü, ðàçâèâàåìàÿ ìèêðîäâèãàòåëåì. Ïðè ïîäà÷å íà îáðàçåö âòîðîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ äâèæóùàÿñÿ ïëàñòèíà ñ ëåïåñòêàìè äåëàåò åùå îäèí øàã è ïåðåõîäèò â ñîñòîÿíèå E. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ èìïóëüñà ïðîèñõîäèò ïðîëåò ðîòîðà ïî èíåðöèè â ñîñòîÿíèå D è èçìåíåíèå êîíôèãóðàöèè ëåïåñòêîâ, àíàëîãè÷íîå ïîçèöèè Ñ. Ïðè ïîñòóïëåíèè òðåòüåãî èìïóëüñà (è äàëåå) äâèæåíèå ðîòîðà ïðîèñõîäèò àíàëîãè÷íî: îò ïîçèöèè  ê ïîçèöèè Ñ ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ïåðåìåùåíèåì ïëàñòèíû 2. Ðàñïëàñòûâàíèå ëåïåñòêà ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ñèë íà÷èíàåòñÿ ñ ìîìåíòà ñîïðèêîñíîâåíèÿ ïîâåðõíîñòåé ëåïåñòêà è ñåãíåòîýëåêòðèêà («çàõâàòà» ëåïåñòêà), êîòîðûé îïðåäåëÿåò äàëüíåéøèé õàðàêòåð «ýëåêòðîííîãî ïðèêëåèâàíèÿ» ëåïåñòêà ê ïîâåðõíîñòè ñåãíåòîýëåêòðèêà. Ïðîöåññ «îòëèïàíèÿ» ëåïåñòêà îïðåäåëÿåòñÿ ñèëàìè, óäåðæèâàþùèìè êîíöû ëåïåñòêîâ ó ïîâåðõ-

Òåëåôîí/ôàêñ ðåäàêöèè (095) 925-6047

íîñòè ñåãíåòîýëåêòðèêà – àäãåçèîííîé, ãèäðîäèíàìè÷åñêîé è ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé, ñâÿçàííûìè ñ îñòàòî÷íûìè ýëåêòðè÷åñêèìè çàðÿäàìè â äèýëåêòðèêå (òî÷íåå, ñ ïîâåðõíîñòíîé íåîäíîðîäíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ çàðÿäîâ ïîä ïëîùàäüþ ëåïåñòêà). Ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåéñòâèÿ èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ â ðàñïëàñòàííîé ÷àñòè ëåïåñòêîâ âáëèçè ìèêðîíåðîâíîñòåé âîçíèêàåò ïðîòèâîäåéñòâèå óïðóãèõ ñèë ëîêàëüíî äåôîðìèðîâàííûõ ó÷àñòêîâ ëåïåñòêîâ è òðåõ óêàçàííûõ âûøå ñèë. Òðè îñíîâíûå ñòàäèè ðàáîòû êîíòàêòíûõ äâèãàòåëåé õàðàêòåðíû è äëÿ êëàññè÷åñêèõ ïüåçîýëåêòðè÷åñêèõ äâèãàòåëåé (ÏÄ).  íèõ äëÿ «çàõâàòà» èñïîëüçóþòñÿ âíåøíèå ñèëû, ïðèæèìàþùèå ðîòîð ê ñòàòîðó ÷åðåç êîíòàêòíûé ýëåìåíò. Ïðè íåáîëüøîì ÷èñëå êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ èëè êîíòàêòèðóþùèõ ó÷àñòêîâ ïîâåðõíîñòåé íà íèõ êîíöåíòðèðóåòñÿ âñÿ ìîùíîñòü ÏÄ. Ýòî ïðèâîäèò ê áûñòðîìó èçíàøèâàíèþ êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ è ïëîõîé âîñïðîèçâîäèìîñòè ïàðàìåòðîâ äâèãàòåëÿ. Êîíñòðóêöèÿ ÏÄ ïîëó÷àåòñÿ ãðîìîçäêîé èç-çà èñïîëüçîâàíèÿ âíåøíèõ ïðèæèìíûõ ñèë. Íî èìåííî â ÏÄ áûëè ïîëó÷åíû íàèëó÷øàÿ òî÷íîñòü ïîçèöèîíèðîâàíèÿ è ãëóáèíà ðåãóëèðîâêè ýëåêòðè÷åñêèõ åìêîñòíûõ äâèãàòåëåé.

«ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ» ¹1 2001

Ìåõàíè÷åñêàÿ íàäåæíîñòü  äâèãàòåëÿõ ñ êîíòàêòíûì ñïîñîáîì ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè ìåõàíè÷åñêàÿ íàäåæíîñòü êîíòàêòíîãî óçëà – îäèí èç îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ. Äëÿ áîëüøèíñòâà ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷ (êðîìå óñòðîéñòâ îäíîêðàòíîãî ïðèìåíåíèÿ) ïàðàìåòðû íàäåæíîñòè äîìèíèðóþò íàä äðóãèìè õàðàê òåðèñòèêàìè äâèãàòåëÿ, íàïðèìåð, ìîùíîñòüþ. Ìåõàíè÷åñêàÿ íàäåæíîñòü êîíòàêòíîãî óçëà ìèêðîäâèãàòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ âðåìåíåì äî íàñòóïëåíèÿ óñòàëîñòíîãî ðàçðóøåíèÿ ïîäâèæíûõ ïëåíîê, à òàêæå äî òàêîãî èñòèðàíèÿ (èçíîñà) ïîâåðõíîñòåé ïëåíîê è ñåãíåòîýëåêòðèêà, ïðè êîòîðîì çíà÷èòåëüíî èçìåíÿþòñÿ îñíîâíûå ïàðàìåòðû ìèêðîäâèãàòåëÿ. Ìåõàíè÷åñê àÿ äîëãîâå÷íîñòü ïëåíîê ïðè èõ öèêëè÷åñêîé íàãðóçêå çàâèñèò îò âåëè÷èíû ýòîé íàãðóçêè. Âûñîêóþ äîëãîâå÷íîñòü ïðè öèêëèðîâàíèè ìîæíî ïîëó÷èòü òîãäà, êîãäà íàãðóçêà íå ïðåâûøàåò ïðåäåëîâ óñòàëîñòè ìàòåðèàëà.  îïèñûâàåìûõ ìèêðîäâèãàòåëÿõ ïîäâèæíûå ïëåíêè â âèäå ëåïåñòêîâ âûïîëíåíû èç áåðèëëèåâîé áðîíçû, èìåþùåé î÷åíü âûñîêèå ïàðàìåòðû íàäåæíîñòè.

13

ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ XXI ÂÅÊÀ

Ðèñ. 2. Êðèâàÿ ðàçãîíà è òîðìîæåíèÿ ìèêðîäâèãàòåëÿ ïðè äåéñòâèè îäèíî÷íîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ

Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü øàãà ïåðåìåùåíèÿ ðîòîðà ìèêðîäâèãàòåëÿ îò íàïðÿæåíèÿ èìïóëüñà

Óñòàëîñòíûå ñâîéñòâà ïðóæèí èç áðîíçû õîðîøî èçó÷åíû. Èçâåñòíî, ÷òî ìîæíî äîñòè÷ü áîëüøîé äîëãîâå÷íîñòè ïëåíîê áðîíçû ïðè öèêëè÷åñêîé íàãðóçêå, åñëè ñóììà ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé èçãèáà è ðàñòÿæåíèÿ íå ïðåâûøàåò íàïðÿæåíèÿ ïðåäåëà óñòàëîñòè. Ïðåäåë óñòàëîñòè ìåòàëëè÷åñêèõ ïëåíîê äîñòèãàåò 40...50 êãñ/ìì2, ïîýòîìó êîíñòðóêöèè êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ òàêèõ ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ äâèãàòåëåé î÷åíü íàäåæíû â ìåõàíè÷åñêîì îòíîøåíèè. Ïðîìåæóòêè âðåìåíè, êîãäà â ëåïåñòêîâûõ äâèãàòåëÿõ âîçíèêàþò ìàêñèìàëüíûå ðàñòÿãèâàþùèå (îñíîâíûå) è èçãèáíûå (âñïîìîãàòåëüíûå) íàïðÿæåíèÿ – ðàçäåëåíû. Ïðè ìàêñèìàëüíîé òÿãå äåéñòâóþò ïðàêòè÷åñêè òîëüêî ðàñòÿãèâàþùèå íàïðÿæåíèÿ, à èçãèáíûå âîçíèêàþò òîëüêî òîãäà, êîãäà ðàñòÿãèâàþùèå ñòàíîâÿòñÿ ìèíèìàëüíûìè. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû Íà ðèñ. 2...4 ïðèâåäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ìèêðîäâèãàòåëåé. Êðèâûå ðàçãîíà è òîðìîæåíèÿ ìèêðîäâèãàòåëÿ ïðè äåéñòâèè îäèíî÷íîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ïîêàçàíû íà ðèñ. 2, à íà ðèñ. 3 – çàâèñèìîñòü èçìåíåíèÿ øàãà ìèêðîäâèãàòåëÿ âî âðåìÿ ðàçãîíà ïðè ðàçëè÷íûõ íàãðóçêàõ áåç ó÷åòà äâèæåíèÿ ïî èíåðöèè. Ãðàôèê íà ðèñ. 4 ïîÿñíÿåò íåîáõîäèìîñòü îïòèìèçàöèè íàãðóçêè äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòè ìèêðîäâèãàòåëÿ ïðè çàäàííûõ çíà÷åíèÿõ tèìï è V. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû îïûòíîãî îáðàçöà ÝÑÏÄ-ìèêðîäâèãàòåëÿ: – óäåëüíàÿ ýíåðãîåìêîñòü – 0,1...1 Äæ/ì2; – äëèòåëüíîñòü òàêòà – 100... 1000 ìêñ; – ÷àñòîòà òàêòî⠖ 100...10 000 Ãö; – øàã ïåðåìåùåíèÿ ðîòîðà – 0,01...10 ìêì; – ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå – 20...60 Â; – äëèíà ïåðåìåùåíèÿ ïëàòôîðìû – 10...40 ìì; – òîëùèíà ìèêðîäâèãàòåëÿ – 400...800 ìêì; – ìîùíîñòü – 10...1000 ìêÂò. ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ 1. Esashi M. Packaged Sensors, Microactuators and ThreeDimensional Microfabrication // J.of Robotics and Mechatronics, 1995. V.7. ¹ 3. P. 200...203. 2. Teegarden D., Lorenz G. and Neui R. How to model and simulate microgyroscope systems // IEEE Spectrum. July 1998. P. 66...75.

Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè è ìîùíîñòè ìèêðîäâèãàòåëÿ îò íàãðóçêè 14

«ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ» ¹1 2001

3. Wakabayashi S., Sakata M., Goto H., Takeuchi M. and Yada T. Static Cha-racteristics of Piezoelectric Thin Film Buckling Actuator. Jpn. //J. Appl. Phys. V.35. 1996. P. 5012...5014. E-mail: [email protected]