ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2015, № 1, с. 144-155
РОБОТОТЕХНИКА
УДК 621.3.084.2
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ, СОВМЕЩЕННЫХ С ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИМИ АКТЮАТОРАМИ,
ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ*
© 2015 г. Н. Н. Болотник1, В. Г. Градецкий1, Д. В. Козлов2, И. П. Смирнов2, В. Г. Чащухин1
Москва, ИПМех РАН 2ОАО "Российские космические системы" Поступила в редакцию 08.09.14 г., после доработки 01.10.14 г.
Работа посвящена расширению функциональности и возможных сфер применения компонентов микроробототехнических систем — актюаторов, основанных на термомеханическом эффекте и применяемых в системах управления перемещением миниатюрных объектов. Добавление в конструкцию актюатора дополнительного верхнего слоя металлизации позволило создать в его структуре чувствительный элемент, реагирующий на воздействие влажности, освещенности и перемещения. Таким образом, в едином изделии удается совместить активный и чувствительный элементы, организовать обратную связь, добившись упрощения технологии и снижения стоимости многофункционального устройства.
Б01: 10.7868/80002338815010035
Введение. Разработка микросистемных актюаторов коллективом авторов ведется несколько лет. Подобные устройства получили широкое распространение в различных микроробототехнических системах и системах управления (системы терморегуляции [1]; управление положением зеркал в системах адаптивной оптики [2] и поглощающих/излучающих поверхностей в антенных системах [3]; модуляторы [4]; микророботы [5]). Принцип функционирования устройств может быть основан на различных физических явлениях, в частности на пьезоэффекте [6—9], тепловой деформации [10—12], электростатическом [13] и магнитном взаимодействиях [14, 15] и др. Авторами была предложена конструкция исполнительного элемента микроактюатора [12], в которой используются кремниевые трапециевидные вставки, соединенные между собой полиимидным слоем, коэффициент температурного расширения которого значительно превышает коэффициент температурного расширения кремния. В настоящей статье предлагается совместить в едином устройстве микроактюатор и чувствительный элемент датчика обратной связи. Конструкция данного устройства показана на рис. 1, ее основные элементы обозначены цифрами: 1 — термомеханический актюатор, 2 — основание с металлизированными дорожками, 3 — металлизированный слой чувствительного элемента (встречно-штыревая структура), 4 — полиимид, 5 — кремниевые элементы, 6 — слой металлизации нагревателей. Полиимид 4 залегает в п канавках, образованных соседними кремниевыми элементами 5, которые играют роль нагревателей. При подаче электрического импульса на нагревательные элементы полиимидный слой подвергается тепловому расширению и изгибает конструкцию на угол, значение которого лежит в диапазоне от 0 до пДа в направлении к плоскости диэлектрического основания 2, на котором закреплен актюатор, где п — количество канавок в актюаторе, Да — среднее изменение угла между боковыми гранями канавок актюатора при его отклонении от горизонтального положения. В случае охлаждения конструкции изгиб происходит в противоположную сторону.
Для управления движением объектов требуется обратная связь по параметрам, зависящим от решаемой задачи. Обычно в системах управления с обратной связью измерительные и исполнительные элементы конструктивно разделены. В предлагаемом устройстве активный элемент ак-
* Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 14-19-00949).
Рис. 1. Микроактюатор, совмещенный с чувствительным элементом датчика обратной связи: а — общий вид конструкции, б — укрупненное изображение сечений в канавках
тюатора одновременно выполняет функции чувствительного элемента датчика, что позволяет сохранить габариты устройства при расширении функциональных возможностей. Испытания показали, что такое конструктивное решение дает возможность проводить измерения сразу нескольких величин различной физической природы при условии фильтрации паразитных сигналов. Данное решение позволяет уменьшить габариты и массу системы управления, упростить ее конструкцию и снизить стоимость. Таким образом, данное устройство [16] можно использовать как актюаторный и как сенсорный элемент для регистрации различных физических величин. Возможный типоразмерный ряд определен технологией изготовления устройства и зависит главным образом от минимально возможного размера элемента и от габаритов кремниевой пластины, из которой он изготовлен. Расширение типоразмерного ряда позволяет увеличить диапазон значений измеряемых параметров [17].
В работе проведено исследование степени влияния возмущающих факторов окружающей среды на характеристики термомеханических актюаторов с чувствительным элементом для определения возможности использования устройства в качестве компонента измерительной аппаратуры.
1. Принцип функционирования и характеристики устройства. За основу взята конструкция активного исполнительного элемента устройств микроробототехники — термомеханического ак-тюатора с анизотропно вытравленными канавками. Данный тип актюаторов был предложен в 1997 г. шведскими учеными во главе с Г. Штемме [5, 10, 18], с 2005 по 2013 г. в России велась разработка аналогичных изделий для нужд космической отрасли [17, 19—21]. Применение исполнительных элементов в конструкции микроробототехнических систем требует обратной связи по параметрам окружающей среды, перемещения и другим физическим величинам. Исследования показали [22], что обратную связь по некоторым из параметров возможно реализовать в известной конструкции актюатора [12], добавив в нее дополнительный функциональный слой 3 (рис. 1). Данный слой представляет собой встречно-штыревую структуру, выполненную из проводящего материала и расположенную сверху актюатора на боковых гранях канавок. Таким образом, множество параллельных проводников образуют обкладки конденсатора с емкостью С, которую и планируется детектировать для определения измеряемой величины. В структуре устройства формируются следующие основные емкости: "воздушная" емкость Са1г между элементами элек-
тродов встречно-штыревой структуры, расположенных на боковых гранях каждой канавки, и емкость CMIS между элементами электродов встречно-штыревой структуры с диэлектрическим слоем в виде полиимида на боковых гранях канавок и кремния, находящегося между канавками; остальными емкостями при оценочных расчетах можно пренебречь.
Исследования показали чувствительность устройства к трем основным напрямую воздействующим факторам: перемещение, освещенность и влажность.
Перемещение балки актюатора приводит к изменению угла между боковыми гранями канавок актюатора и, как следствие, изменению расстояния между расположенными на них обкладками конденсатора. При этом отклонение балки актюатора в сторону основания, на котором она расположена, приводит к увеличению расстояния между обкладками и уменьшению значения емкости; отклонение в противоположную сторону производит противоположный эффект. Перемещение балки актюатора может быть вызвано прямым внешним силовым воздействием либо воздействием сил тепловой деформации. Таким образом, устройство способно определять не только положение балки актюатора относительно его основания и угол ее наклона, но и ряд зависящих от этих параметров характеристик. В зависимости от типа внешнего силового воздействия с помощью предлагаемого устройства можно измерять приложенное к подвижной балке актюатора механическое усилие, массу и характеристики движения газового потока, направленного на актюатор. При внешнем или внутреннем тепловом воздействии (прямой нагрев либо нагрев посредством встроенного нагревателя), регистрируя перемещение актюатора, можно определять температуру окружающей среды или чувствительного элемента датчика соответственно. Данный эффект позволяет организовать обратную связь по перемещению в системах управления и подстройку положения термомеханического актюатора в пространстве.
Реакция термомеханического актюатора с сенсорными функциями на освещенность объясняется внутренним фотоэффектом, который проявляется в кремнии, входящем в структуру ак-тюатора. Так как с нижней стороны устройства кремний практически полностью открыт, а с верхней закрыт полиимидом, частично пропускающим свет видимого диапазона, то при воздействии светового потока на кремниевую структуру концентрация (количество) носителей тока в ней увеличивается, тем самым увеличивается и проводимость. Наблюдать фотоэффект можно как на нагревательных элементах снизу актюатора, так и на обкладках сформированного дополнительным верхним слоем металлизации конденсатора. В результате воздействия света на нагревательных элементах уменьшается электрическое сопротивление, а на обкладках конденсатора увеличивается электрическая емкость. Тем самым для регистрации параметра освещенности предлагаемым устройством достаточно одного слоя металлизации (верхнего или нижнего). Учитывая высокую стойкость предлагаемого устройства к негативному воздействию условий космического пространства [1], широкое применение данный эффект может найти в устройствах космического назначения на основе термомеханических актюаторов. В частности, в устройстве терморегуляции поверхности космических аппаратов [1], датчик освещенности можно использовать как пороговый для определения положения поверхности относительно солнца (освещенная/неосвещенная). Такое решение позволяет увеличить эффективность алгоритма работы устройства, уменьшить роль космонавта в работе системы без существенного усложнения конструкции и добавления в нее новых элементов.
Еще одним фактором, оказывающим прямое воздействие на емкость, является уровень влажности окружающей среды, в которой предполагается эксплуатация устройства. При увеличении влажности происходит изменение диэлектрических свойств полиимидного слоя, вызванное образованием дополнительного сконденсированного слоя влаги на поверхности термомеханического актюатора и изменением количества в полиимидном слое [23]; емкость структуры увеличивается, позволяя использовать
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.