автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами

На правах рукописи

V

Ляпунов Данил Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПЛЕНОЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ДЕН ад

Томск 2010

004617801

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» на кафедре электропривода и электрооборудования

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бекишев Рудольф Фридрихович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Букреев Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кербель Борис Моисеевич

кандидат технических наук, доцент Орлов Юрий Александрович

Ведущее предприятие: Обособленное подразделение «Научно-

исследовательский институт автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», г. Томск

Защита состоится 29 декабря 2010 года в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.11 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Автореферат разослан «26» ноября 2010 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

к.т.н., доцент '! Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Микроэлектромеханические емкостные преобразователи в настоящее время широко используются в качестве датчиков и микродвигателей как основные функциональные элементы микроэлектромеханических систем (МЭМС). Их энергоемкость в области малых мощностей значительно превосходит энергоемкости индуктивных аналогов.

К областям использования емкостных микроэлектромеханических преобразователей относятся: высокоточные позиционные электроприводы для изготовления устройств нано- и микросистемной техники, контроль и диагностика технического состояния объектов, системы неразрушающего контроля конструкций, системы навигации для авиационной и космической техники, системы безопасности транспортных средств и т. д.

Исследования в области МЭМС выполняются в РАН (Институт проблем механики, Институт кристаллографии, Институт автоматики и электрометрии), в научных центрах университетов (МГТУ им. Н. Э. Баумана, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (Центр микротехнологии и диагностики), Московский авиационно-технологический институт), исследовательский центр суперкомпьютеров и нейрокомпьютеров (г. Таганрог), НИК «Технологический центр» при МИЭТ (г. Зеленоград), в МНТК «Робот»,) и других организациях.

За рубежом данное направление развивают исследователи: prof. Tomas Bifano Boston University Photonics center, Professor Albert P. Pisano University of California Berkeley Mechanical Engineering, Professor Joey Talghader Nanosystems research group, Kenji Uchino International Center for Actuators and Transducers (ICAT) The Pensilvania State University и др.

Среди мировых фирм лидерами в производстве МЭМС являются Analog Devices, Texas Instruments, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor.

Основным функциональным элементом в микроэлектромеханических емкостных преобразователях является тонкая диэлектрическая пленка, которая используется для создания рабочего электрического поля и электромеханического преобразования энергии.

Для оценки особенностей емкостных преобразователей, учетом нелиней-ностей механических и электрических свойств материалов необходимы математические модели, позволяющие исследовать характеристики, как на стадии проектирования, так и в процессе управления рабочими режимами МЭМС.

Перспективным направлением в области создания МЭМС является применение многофункциональных электромеханических преобразователей, обеспечивающих не только перемещение полезной нагрузки системы, но и одновременно выполняющего роль измерительного датчика положения. При этом важной характеристикой электромеханического преобразователя является его энергоэффективность.

Таким образом, актуальными являются разработка новых конструкций энергоэффективных микроэлектромеханических емкостных преобразователей и исследование их характеристик.

Объектом исследования является микроэлектромеханические емкостные преобразователи с пленочными элементами.

Предметом исследования является конструкция микроэлектромеханического емкостного преобразователя и его электромеханические характеристики.

Цель работы состоит в разработке способов улучшения свойств микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) обозначить основные особенности и тенденции развития микроэлектромеханических систем;

2) исследовать пути улучшения технических характеристик емкостных преобразователей;

3) рассмотреть возможности изготовления элементов емкостных преобразователей с использованием современных материалов и тонкопленочных технологий;

4) разработать математическую модель электромеханических характеристик;

5) определить основные рекомендации по проектированию микроэлектромеханических емкостных преобразователей энергии;

6) провести экспериментальные исследования и оценить полученные результаты.

Методы исследования. В диссертационной работе применены: математическая теория электромеханического преобразования энергии, численные методы решения дифференциальных уравнений, математическое моделирование и программирование в средах Е1сЩ-5.7, МаЛСАБ-М, Ма11аЬ-2008. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных выводов и результатов базируется на строгом использовании математического аппарата теории электромеханического преобразования энергии и теории диэлектриков, подтверждается моделированием на основе современных программных продуктов, качественным и количественным соответствием данных теоретических исследований с экспериментальными данными. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модель электромеханической характеристики емкостного гребневого преобразователя, учитывающая нелинейный характер изменения жесткости упругого элемента его подвижной части.

2. Создана методика оптимизации размеров электродов неподвижной части микроэлектромеханического устройства с катящимся ротором и их взаимного пространственного положения, позволяющая рассчитывать конструкции преобразователей с высокой энергоемкостью.

3. Разработана конструкция емкостного преобразователя с обратимым преобразованием энергии, позволяющая одновременно получить сенсорные и актюаторные свойства микроэлектромеханического устройства.

Практическая ценность работы:

1. Создана компьютерная программа, позволяющая определять энергоемкость микроэлектромеханических преобразователей с учетом изменений геометрических размеров подвижного и неподвижного элементов и параметров применяемых диэлектрических материалов.

2. Разработана компьютерная программа, рассчитывающая оптимальную ширину электродов микроэлектромеханического емкостного преобразователя с катящимся ротором по критерию максимальной силы.

3. Разработана компьютерная программа, обеспечивающая расчет статических характеристик емкостного микроэлектромеханизма с обратимым преобразованием энергии с учетом параметров и-образного электрода.

Реализация результатов работы. Вариант конструкции емкостного преобразователя, выполняющего функции датчика давления, и методика расчета его элементов, позволяющая вычислять давление газообразной среды на основе деформации гибкого элемента преобразователя, используется на предприятии ОАО «Манотомь» (г. Томск) в качестве экспериментального образца. Вариант конструкции микроэлектромеханизма применяется в фирме ООО «НПФ ТДМ» (г. Томск) для оценки уровня вибрации щеточно-колекторного узла электродвигателя постоянного тока в составе регистрирующей установки. Результаты исследований также используются в учебном процессе подготовки студентов энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического института по направлению «Электроэнергетика и электротехника» по курсу «Теория электромеханического преобразования энергии».

Основные защищаемые положения:

1. Методика оптимизации размеров электродов неподвижной части микроэлектромеханического устройства с катящимся ротором и их взаимного пространственного положения, позволяющая рассчитывать конструкции преобразователей с высокой энергоемкостью.

2. Динамическая модель электромеханической характеристики гребневого емкостного преобразователя с пленочными элементами, учитывающая нелинейный характер изменения жесткости упругого элемента.

3. Конструкция емкостного преобразователя с обратимым преобразованием энергии, позволяющая одновременно получить сенсорные и актюаторные свойства микроэлектромеханического устройства.

4. Рекомендации на основе численных результатов моделирования конструкций, направленные на повышение энергоемкости микроэлектромеханических преобразователей.

5. Компьютерные программы, позволяющие определить энергоемкость микроэлектромеханических преобразователей с учетом геометрических конфигураций подвижного и неподвижного частей и параметров применяемых диэлектрических материалов, рассчитать статические и динамические характери-

стики микроэлектромеханических преобразователей с емкостными пленочными элементами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на следующих конференциях: X Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2004 - 2009 гг.; VII Русско-корейской конференции KORUS, г. Томск, 2004 г.; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2004 -2006 гг.; VI Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация», г. Барнаул, 2005 г.; V Региональной научно-практической студенческой конференция «Электротехника. Электромеханика. Электротехнологии», г. Томск, 2005 г.; Всероссийской конференции - конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение», г. Томск, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2005 - 2009 гг.; V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП, г. Санкт-Петербург, 2007 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск, 2008 г.; Международной конференции IFOST, Вьетнам, г. Хошимин, 2009.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 27 научных работах, в том числе: 4 статьях в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патенте РФ на полезную модель, 2 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 145 страниц, включая 56 рисунков, 10 таблиц, списка литературы из 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимой разработки, сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе проведен анализ области исследований, рассмотрены основные тенденции развития МЭМС, в том числе емкостных преобразователей, обоснованы перспективы применения емкостных преобразователей для изготовления микроэлектромеханических систем. Рассмотрены основные существующие конструкции устройств микросистемной техники, представлены способы преобразования энергии и предложена конструкция емкостного электромеханизма с обратимым преобразованием энергии.

Емкостные преобразователи с пленочными элементами, применяемые в МЭМС, являются основными функциональными элементами благодаря высокой устойчивости к электромагнитным помехам и повышенной энергоемкости по сравнению с индуктивными и пьезоэлектрическими аналогами в области малых размеров (до 100 мкм) и мощностей (до 1 Вт). Свойства тонких пленок (толщиной до 5 мкм), используемых для изготовления пленочных элементов, их однородность, отсутствие дефектов значительно улучшает работу микроэлектромеханических устройств. Для совершенствования конструкций емкостных преобразователей необходимы материалы, как проводников, так и диэлектриков, с повышенными механическими и электрическими свойствами.

В результате анализа области применения МЭМС выяснено, что для увеличения промышленного выпуска микроэлектромеханических преобразователей, в том числе с пленочными элементами, необходимы следующие действия:

• разработка специализированного технологического оборудования для выпуска МЭМС;

• увеличение точности микроприводов технологического оборудования для изготовления тонкопленочных элементов преобразователей;

• разработка устройств тестирования промышленных МЭМС и оборудования, имитирующего механические усилия, например, давление, вибрации корпуса технологического объекта и т.д.;

• создание информационной базы современных конструкционных материалов для производства МЭМС.

Емкостные устройства пленочной электромеханики в области малых мощностей имеют огромные перспективы применения. В емкостных структурах с подвижными диэлектрическими пленками, благодаря малым их толщинам, достижимы более высокие электрические поля, чем в классических емкостных машинах. Поэтому энергоемкость пленочных устройств выше, чем классических емкостных и индуктивных машин и может достигать 10 Дж/кг.

К основным конструкциям емкостных электромеханических преобразователей относятся: 1) преобразователь с воздушным зазором; 2) гребневый преобразователь; 3) преобразователь с катящимся ротором; 4) планарный пленочный преобразователь; 5) микроструктурный нитевидный преобразователь.

С целью расширения функциональных возможностей МЭМС за счет совмещения в одном устройстве сенсорных и актюаторных свойств разработана конструкция

Рис. 1. Конструктивная схема емкостного электромеханизма с обратимым преобразованием энергии (патент РФ на полезную модель №95323)

емкостного электромеханизма с обратимым преобразованием энергии (рис. 1).

Электромеханизм содержит корпус 1, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, на дне которого закреплена металлическая подложка 2 с тонким слоем диэлектрика 3, обладающий высоким значением относительной диэлектрической проницаемости (например, из керамики на основе титаната бария). Внутри корпуса 1 расположен и-образный электрод 4 в виде изогнутой металлической пластины из упругого материала, обладающего электрической проводимостью (например, из бериллиевой бронзы). Наружная изогнутая поверхность и-образного электрода 4 соприкасается со слоем диэлектрика 3. Прямоугольные поверхности и-образного электрода 4 примыкают к верхней внутренней поверхности корпуса 1 и подключены к системе 5 питания и управления (СПиУ). Металлическая подложка 2 (например, из нержавеющей стали) также подключена к СПиУ. Корпус 1 выполнен из полимерного материала (например, из пластмассы) с определенными диэлектрическими свойствами.

При использовании емкостного электромеханизма в качестве датчика перемещений, верхняя внешняя поверхность корпуса приклеивается к объекту контроля, испытывающего механические колебания, например, к статору электрического двигателя. При работе электрического двигателя возникает силовое механическое воздействие на корпус 1 электромеханизма. За счет деформации корпуса 1 площадь соприкосновения электрода 4 и диэлектрика 3 изменяется, в результате чего изменяется емкость конденсатора, образованного электродом 4, слоем диэлектрика 3 и металлической подложкой 2. Сигнал, соответствующий значению емкости, поступает с измерителя емкости СПиУ 5 на микроконтроллер, который вычисляет вторую производную сигнала емкости по времени, пропорциональную ускорению колебаний корпуса электрического двигателя. Это позволяет судить, например, об уровне вибраций корпуса электрического двигателя для диагностики его механического состояния.

При использовании электромеханизма в режиме двигателя, например, для генерации колебаний кантилевера в системах неразрушающего контроля материалов, верхнюю часть электромеханизма приклеивают на наружную поверхность исследуемого элемента оборудования. С помощью СПиУ 5 между электродом 4 и металлической подложкой 2 прикладывают переменное напряжение прямоугольной формы с частотой до 1 кГц. В результате электрод 4 деформируется под действием электрической силы и приводит в движение корпус 1, который непосредственно связан с кантиливером, передавая ему вибрации. Отраженный сигнал поступает на схему измерения емкости СПиУ 5 и используется далее для последующего анализа.

Таким образом, при определенных условиях эксплуатации, данный преобразователь работает одновременно в двух режимах - микродвигателя и датчика деформации (виброскорости или виброускорения) и может широко использоваться в системах диагностики и контроля механического состояния различных технологических объектов.

Во второй главе приведены характеристики материалов для создания емкостных преобразователей, рассматриваются способы повышения энергоем-

кости, приведенных в первой главе конструкций микроэлектромеханических емкостных преобразователей.

Все три класса материалов - проводники, полупроводники и диэлектрики применяются при изготовлении емкостных преобразователей МЭМС. Большую перспективу при создании емкостных устройств имеют тонкие пленки как металлические, так и диэлектрические, а также созданные на их основе двухслойные структуры (металл - диэлектрик).

В результате исследований предложен следующий перечень способов, которые позволяет увеличить энергоемкость конструкций емкостных преобразователей МЭМС.

1) Применение в емкостных преобразователях диэлектриков с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости сг (до 2 млн. о. е. и выше).

2) Использование энергоемких жидких и газовых сред в качестве рабочего диэлектрика (дистиллированная вода ег= 80 о. е., элегаз 8Рб и т. д.).

3) Уменьшение рабочего зазора за счет использования современных технологий напыления и химического анизотропного травления.

4) Создание градиента ег за счет переменной пористости диэлектрической пленки и переменной толщины.

5) Повышение рабочего напряжения за счет использования материалов с повышенной электрической прочностью.

6) Использование температурной зависимости ег сегнетоэлектриков для увеличения энергоемкости преобразователей.

7) Совершенствование и создание метаматериалов с определенными свойствами (примеры - материалы с отрицательными значениями ег, материалы с отрицательным коэффициентом линейного расширения (кевлар) и т. д.).

В третьей главе разработаны математические модели электромеханических характеристик преобразователей с пленочными элементами. На основании теории электромеханического преобразования энергии для емкостных преобразователей, получены статические и динамические электромеханические характеристики.

Схема замещения емкостной микромашины в общем случае будет представлять конденсатор с подвижной обкладкой (рис. 2). Процесс электромеханического преобразования энергии в емкостных устройствах будет сопровождаться перезарядом емкости С(х), Рис. 2. Схема замещения ем- где х _ обобщенная координата, в направле-костного преобразователя: нии К0Т0р0й рассматривается изменение ем-С(х) - емкость между подвиж- кости системы для данной схемы. При посто-ными частями преобразовате- Я[[СТВС разности потеНциалов £/(/), электри-ля в функции от обобщенной

координаты х, Дд - активное ческая сила р\х) в статическом режиме, при-сопротивление диэлектрика ложенная к обкладке конденсатора

С(х)

и(1)

-у

/_

— К„

и2 дС(х) 2 дх '

ИУ\Лг 2

х(0

где Ж, - энергия электрического поля, сконцентрированная в рабочем зазоре преобразователя; Ит - амплитуда приложенного напряжения; ю - циклическая частота приложенного напряжения; и - действующее значение приложенного напряжения.

При исследовании обобщенной модели емкостного электромеханического преобразователя энергии, представляющего собой конденсатор с подвижной обкладкой, выявлено, что воздушный зазор значительно влияет на его силовые характеристики. При уменьшении рабочего зазора емкость и сила, пропорциональная изменению емкости, значительно возрастают в небольшом диапазоне

перемещений, составляющем десятые доли мкм. Однако необходимо учитывать, что величина шероховатостей по-■й]— верхностей электродов может быть 5 больше рассчитанных зазоров. Поэтому

для функциональных элементов микроэлектромеханических систем очень важно обеспечить как можно меньшую шероховатость поверхностей, что осуществимо при помощи тонкопленочных технологий.

Схема преобразования энергии, которая используется при моделировании емкостного гребневого преобразователя, приведена на рис. 3. данного электромеханического преобразователя

> £/(|)о

Рис. 3. Структурная схема гребневого преобразователя

1 - неподвижная часть системы;

2 - упругий элемент; 3 - масса;

4 - конденсатор с подвижной обкладкой, 5 - демпфирующий элемент

Основное уравнение имеет следующий вид:

Л

(2)

где т

Л2 4 ' 2Д масса ротора, у(/) - скорость перемещения подвижного элемента, п -число пластин подвижного элемента, к1 (х) - жесткость упругого элемента (гибкой подвески), которая нелинейно зависит от перемещения, Д - величина зазора между обкладками в исходном состоянии, Ь - ширина пластин (размер,

электрическая по-

Ф/м

перпендикулярный плоскости чертежа),е0 = 8.85-10" стоянная.

В данной модели учитывается экспериментально установленная нелинейная зависимость жесткости упругого элемента к{ (х) от обобщенной координаты х(г). Численное решение уравнения (2) получено при помощи программной среды МаЛСАЕ>-14. Для сравнения свойств преобразователя данной конструкции приведены динамические характеристики линейной (рис. 4) и нелинейной моделей (рис. 5).

-311L

Рис. 4. Динамические характеристики линейной модели гребневого преобразователя

Рис. 5. Динамические характеристики нелинейной модели гребневого преобразователя

mkHAF

-100

Рис. 6. Сравнение характеристик нелинейных моделей гребневого преобразователя при различных значениях жесткости упругого элемента, 1,2- перемещение и сила для к = 0.01 Н/м, 3,4- перемещение и сила для к = 0.1 Н/м

На рис. 4 и 5 отражены зависимости перемещения x(l) ротора микроэлектромеха-низма, его скорости перемещения v(t), и приложенной к ротору силы F{t), создаваемой электрическим полем.

Численный эксперимент показал, что в линейной модели при подаче напряжения между подвижным и неподвижным элементами, система совершает колебания с амплитудой 345 мкм, период колебаний которых зависит от жесткости упругого элемента и массы подвижного элемента.

При исследовании нелинейной модели выявлено, что кривая скорости v(i) имеет два характерных пика на временном интервале (рис. 5), равном четверти периода приложенного напряжения. Кроме того, возникают вибрации силы, что приводит к нежелательным колебаниям системы. Нелинейная модель позволяет учесть данный эффект и уменьшить его путем использования соответствующих регуляторов МЭМС и варьирования параметров элементов гребневого преобразователя.

При увеличении жесткости упругого элемента в 10 раз (рис. 6), амплитуда колебаний подвижного элемента уменьшается в обратно пропорциональной зависимости. При этом колебания силы F(t), приложенной к подвижному элементу микроэлектромеха-низма, уменьшаются. Таким

х(0

(t>(0

1/к р

т

Рис. 7. Эквивалентная схема преобразователя в сенсорном режиме Р(() - внешняя механическая сила, т - пробная масса, к - жесткость упругого элемента, Р - коэффициент демпфирования.

образом, варьированием жесткости можно добиться желаемого вида характеристик системы.

Для моделирования емкостных преобразователей в режиме датчика перемещений используется эквивалентная схема преобразователя, приведенная на рис. 7.

Результирующая передаточная функция емкостного преобразователя в режиме датчика согласно схеме (рис. 7) имеет вид: 1/к_

т 2 В —л +—s + 1 к к

частоту ю(

Данная система имеет резонансную

/И СО«

-Дн

V т

добротность Q = -

"о

Р

В качестве прототипа при моделировании был использован акселерометр фирмы Analog Devices ADXL150, имеющий предел измерений ускорения 50g, резонансную частоту - 24.7 кГц, максимальное перемещение пробной массы -0.02 мкм. Его параметры следующие р = 1.004• 10"6 (Н-с)/м, т = 2.2-Ю~10 кг, к = 5.299 Н/м.

Результаты моделирования преобразователя в режиме датчика приведены на рис. 8 и 9.

Аппроксимация дискретных данных численного моделирования для схемы преобразователя (рис. 7) в режиме датчика получена методом наименьших квадратов в программе Excel-2007.

<п„(е) = 4-Ю-9е2+4-10-9б + 2.10Лс

5(<2) = 3-Ю^06 + 4-10"5£>5 - 1.75-10 2б4 + 4.211-Ю"'^ -5.4303£>2 + + 36.4510 -16.124,%

Рис. 8. Время переходного процесса /„„ Рис. 9. Перерегулирование 8 при при варьировании добротности Q варьировании добротности Q

На основании полученных результатов моделирования и сравнения их с данными для акселерометра фирмы Analog Devices ADXL150, показано, что для уменьшения времени переходного процесса, перерегулирования и колеба-

тельности характеристик преобразователя необходимо снижать добротность системы, которая зависит от параметра р. Так, при уменьшении добротности <2

Н • с

с 34 до 0.5, коэффициент демпфирования р изменяется от 1.0042-Ю"6 - до

м

-6 Н е

68.286-10 -. При этом, время переходного процесса уменьшается от 1.3 мс

м

до 0.03 мс, перерегулирование - от значения 95.5%, практически, до нуля.

Для моделирования емкостного преобразователя с катящимся элементом используется следующая конструктивная схема (рис. 10). Зависимости силы от обобщенной координаты для данной конструкции преобразователя приведены на рис. 11.

Удельная энергия в рабочем зазоре, образованном воздушным промежутком и диэлектриком, будет определяться выражением:

(3)

где $ - площадь внешней поверхности подвижного элемента.

Исследовалось 4 образца преобразователей, которые отличаются относительной ег диэлектрической проницаемостью.

0.2 0.3 0.4 0.5 мм

Рис. 11. щенной

Зависимости силы от обоб-координаты для различных диэлектриков: 1 - ег=1, 2 - ег=10, 3 -ег=100, 4 - ег= 1000 при толщине пленки ¿{ =10 мкм.

Рис. 10. Модель емкостного преобразователя с катящимся ротором Я - радиус кривизны катящегося элемента, с1, - толщина диэлектрической тонкой пленки на поверхности металлической подложки

Анализ показывает, что при повышении ег электрическая сила, приложенная к подвижному элементу преобразователя, возрастает. Однако данный эффект сохраняется лишь в диапазоне ег от 1 до 1000. При дальнейшем увеличении ег зависимости не изменяются (зависимости 3 и 4 практически совпадают). Повышение напряжения питания позволяет получить эффект только до некоторого значения, что связано с явлением пробоя диэлектрика.

Методика выбора оптимальной длины электрода (неподвижный элемент) преобразователя по критерию максимума электромеханической Р(х) силы заключается в следующем. На первом этапе производится расчет кривых зависимостей емкости С(х) от обобщенной координаты х перемещения. Далее рассчи-

d = 3 мм

тываются зависимости силы F(x) от обобщенной координаты. При определенном значении обобщенной координаты х кривая F(x) достигает максимума. Расстояние от начала координат до положения максимума электромеханической силы будет являться эффективной шириной электродов неподвижной части преобразователя. Данное расстояние будет являться также оптимальным расстоянием между электродами, обеспечивающее достаточную электромеханическую силу для эффективного преобразования энергии.

_ Физическая модель пленоч-

ного преобразователя в режиме микродвигателя представлена на рис. 12.

Приняты следующие обозначения: 1 - слой металла, 2 - тонкая сегнетоэлектрическая пленка тита-ната бария, 3 - металлическая пленка из бериллиевой бронзы, 4 -платформа (направляющие не пока-= 1 мкм заны), анач, амакс - начальный и максимальный углы наката, которые определяются параметрами пленки и приложенным напряжением питания, Ах - шаг перемещения платформы 4 двигателя,

Рис. 12. Модель пленочного емкостного преобразователя

Ьтч = ¿(')|(_0> где 1(г) - функция, описывающая проекцию на ось х длины пленки, которая не участвует в накате, /0 - начальная длина наката, с! = 3 мм -расстояние от поверхности статора до платформы, совершающей микроперемещения.

Работа Лп электростатического наката определяется суммой трех составляющих - кинетической энергии электромеханической системы, работой сил трения направляющих о платформу и энергией деформации металлической пленки А/.

где т - масса платформы, (х) - сила нагрузки (в т.ч. трения).

Уравнение (4) является уравнением энергетического баланса.

Электростатическая сила, приводящая в движение платформу 4, будет пропорциональна работе наката

F{x,t) = kQ

CUZ

2 Тих('У

(5)

где ¿о = 0.8 - коэффициент, учитывающий потерю контакта между пленкой и сегнетоэлектрической поверхностью, Тл = 20 мкс - время импульса приложенного напряжения, С - емкость между слоем металла 1 и металлической пленкой 3 (рис. 12).

мкм| х(0 1.0

мкс

Рис. 13. Зависимость перемещения платформы преобразователя от времени

мН t F(t) 10

мкс

Численные решения уравнений (4) и (5) дают следующие результаты (рис. 13 и 14). Шаг перемещения платформы зависит от длительности импульса приложенного напряжения (рис. 13). После окончания времени Тв = 20 мкс импульса приложенного напряжения платформа будет двигаться по инерции в течение времени Ти = 10 мкс. Общий путь перемещения платформы зависит от количества импульсов и ограничивается геометрическими размерами статора преобразователя. Линейная скорость перемещения платформы изменяется и зависит от частоты подачи импульсов. Электростатическая сила Р(х, /) (5), приложенная к платформе, будет иметь максимальное значение в

Рис. 14. Зависимость электростатической силы, приложенной к платформе преобразователя от времени

начальный момент действия импульса напряжения (рис. 14). После его окончания платформа будет двигаться по инерции.

Амплитуда импульса приложенного напряжения, поданного от системы питания, определяется электрическими параметрами тонкопленочного диэлектрика (напряжением пробоя) на поверхности статора, время импульса - требуемой точностью перемещения.

Функция зависимости емкости от обобщенной координаты х записывается следующим выражением:

С(*) = -

(6)

где .S'(x) - функция зависимости площади взаимодействия между U-образным

электродом и металлической подложкой, е!в (х) - функция зависимости размера воздушного зазора от обобщенной координаты.

Для моделирования универсального емкостного электромеханизма (рис. 1) с обратимым преобразованием энергии была создана программа расчета, использующая уравнения (1), (6).

Проинтегрировав выражение (6) по координате х с учетом коэффициента кажущегося контакта к0= 0.6, получаем интегральное значение емкости

конденсатора, образованного металлической подложкой электродом 4, и тонким слоем диэлектрика 3 (рис. 1):

С = кп

2, и-образным

(7)

где Я - радиус кривизны 11-образного электрода.

Вычисление силы, приложенной к и-образному электроду производится по формуле (1).

Блок-схема алгоритма расчета характеристик емкостного электромеханизма с обратимым преобразованием энергии приведена на рис. 15. Результаты моделирования в среде МаШСАО-14 представлены на рис. 16.

мм 10 8 6 4 2

Рис. 15. Алгоритм расчета характеристик электромеханизма

10 мкм

10 мкм

10 мкм

Рис. 16. Характеристики электромеханизма с обратимым преобразованием энергии: а) конфигурация верхнего электрода электромеханизма, б) зависимость емкости, в) зависимость усилия от координаты х. 1 - характеристики электромеханизма до деформации, 2 - после деформации

В результате исследований установлено следующее: 1. На примере конденсатора с подвижной обкладкой показано, что энергоэффективность емкостных преобразователей в режиме микродвигателя имеет нелинейный характер для малых перемещений его подвижного элемента. Величина перемещения подвижного элемента, при котором сила имеет высокоэффективное значение, составляет единицы мкм.

2. Учет нелинейных свойств гребневого преобразователя позволяет выявить и устранить нежелательные вибрации конструкции преобразователя.

3. Разработанная математическая модель универсального преобразователя с обратимым преобразованием энергии позволяет рассчитывать усилия, приложенные к и-образному электроду, что расширяет функциональные возможности преобразователя - одновременное создание усилий и измерение микроперемещений.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований микроэлектромеханического емкостного преобразователя, подтверждена адекватность математической модели преобразователя в режиме датчика.

На рис. 17 изображена измерительная ячейка для снятия характеристик емкостного преобразователя. При помощи микрометра к верхней обкладке преобразователя прикладывалось усилие и вращением винта микрометра совершались линейные перемещения с дискретностью 100 мкм.

Изменение емкости между металлической подложкой 2 и 11-образным электродом 4 (рис. 1) фиксировалось при помощи К-Ь-С-метра Е7-22 с разрешением 0,1 пФ. Вид экспериментальной и

теоретических кривых изменения емкости С(х) приведен на рис. 18.

Следует отметить, что в экспериментальной и теоретической зависимостях С(х) имеются точки излома «а» и «б», соответственно, обусловленые геометрией 17-образного электрода преобразователя.

Данная измерительная ячейка позволяет измерять перемещения с точностью до 4 мкм. При этом емкость между металлической подложкой и и-образным электродом линейно зависит от перемещения в диапазоне от 0 до 1600 мкм.

Дальнейшие эксперименты показали, что в гибком элементе накапливаются остаточные деформации, влияющие на точность датчика. Установлено, что максимальное отклонение экспериментальной характеристики С(х) от теоретической не превышает 6%.

Рис. 17. Измерительная ячейка преобразователя в режиме датчика

1, а - точка излома) и моделирования (кривая 2, б - точка излома)

Для проведения эксперимента по испытанию планарной физической модели пленочного емкостного преобразователя была создана установка, схема которой приведена на рис. 19.

Принцип работы данной установки следующий. При подаче напряжения от системы питания 1 через подводящие контакты 2 на подложку 7 и металлическое покрытие пленки 3 происходят микроперемещения груза 5. Одновре-

Рис.

19. Схема экспериментальной ус-

0 1122 33 44 55 66 77 88 99110 В Рис, 20. Сравнение экспериментальной 1 и теоретической 2 статических характеристик, а - явление пробоя

тановки, где 1 - источник питания; 2 -контакты; 3 - пленка с металлизацией; 4 - компьютер; 5 - нагрузка; 6 - датчик перемещения; 7 - подложка; 8 - цилиндры

менно происходит электростатический накат пленки 3 на цилиндры 8. Микроперемещения фиксируются вихретоковым датчиком 6, выходной сигнал с которого передается на компьютер 4.

В результате экспериментальных исследований была снята статическая характеристика преобразователя при постоянной нагрузке в 10 г (рис. 20). Теоретическая зависимость была получена для конструкции преобразователя (рис. 19) в программе Е1сЩ-5.7. Максимальное отличие экспериментальных данных от расчетных значений не превышает 20%. В результате проведения экспериментов выявлена нелинейная зависимость перемещения от напряжения. При напряжении свыше 100 В наблюдались частичные пробои (точка «а» на рис. 20) применяемой тонкой пленки (полиэтилентерефталат), которые приводят к невозможности выполнения преобразователем его функциональных свойств.

В заключении изложены основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе.

В приложении приведены акты внедрения результатов исследований в промышленность и учебный процесс, копия патента на полезную модель, листинги программ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана модель механической характеристики емкостного гребневого преобразователя с учетом нелинейной зависимости жесткости упругого элемента его подвижной части от перемещения, позволяющая учитывать связанные с этим особенности для проектирования конструкции. Сходимость вычислительной процедуры обеспечивается корректным выбором начальных условий

и применением процедуры Балирша-Штера для решения системы дифференциальных уравнений 2-го порядка.

2. Исследована модель емкостного преобразователя в режиме датчика перемещений. Показано, что при варьировании параметра добротности <2 возможно улучшить показатели качества переходного процесса - время переходного процесса и перерегулирование. Найдены аппроксимирующие зависимости /пп [О) и 5(0), позволяющие оптимизировать конструкции акселерометров по критерию максимального быстродействия.

3. Разработана методика оптимизации размеров электродов неподвижной части емкостного преобразователя с катящимся ротором и их взаимного пространственного положения по критерию максимальной силы, приложенной к ротору. На основании методики определен эффективный диапазон изменения относительной диэлектрической проницаемости тонкопленочного диэлектрика для получения конструкций преобразователей с высокой энергоемкостью.

4. На основе уравнения энергетического баланса (4) создана модель пленочного емкостного преобразователя, позволяющая исследовать динамические характеристики - зависимости перемещения и силы, приложенной к платформе от времени. При исследовании полученных характеристик установлено, что при окончании действия импульса напряжения, платформа движется по инерции, что необходимо учитывать при проектировании систем питания и управления данным преобразователем. Преобразователь обеспечивает шаг перемещения 0.515 мкм, максимальное усилие, приводящее платформу в движение, составляет 9.2 мН.

5. Разработана конструкция емкостного преобразователя с обратимым преобразованием энергии, позволяющая одновременно получить сенсорные и актюаторные свойства микроэлектромеханического устройства. На основе экспериментальных исследований подтверждена адекватность модели преобразователя в режиме датчика, максимальная отличие теоретической зависимости от экспериментальной не превышает 6%.

6. Создана экспериментальная установка планарной физической модели пленочного емкостного преобразователя. Исследована статическая характеристика - зависимость перемещения платформы от приложенного напряжения. Максимальное отличие экспериментальных данных от теоретических значений не превышает 20%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Бекишев Р. Ф., Семенова Л. Н., Ляпунов Д. Ю. Емкостные микродвигатели с катящимся ротором // Известия Томского политехнического университета.

- 2004. - Т. 307. - № 1. - С. 137-139.

2. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Перспективы создания емкостных высокоэнергоемких микродвигателей // Известия вузов. Электромеханика. - 2006. - №3.

- С. 26-30.

3. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Математическое моделирование емкостного пленочного микродвигателя // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 1. - С. 157-159.

4. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Преобразование энергии в микроэлектромеханических системах // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2008. - № 9-10/1-С. 156-161.

5. Ляпунов Д. Ю. Выбор конструкции емкостного микродвигателя // Современные техника и технологии: Материалы X международной научно-практической кон-

ференции студентов, аспирантов и молодых ученых : в 2 т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004.-Т. 1.-С. 257-258.

6. Danil Yu. Lyapunov The Constructions of the Capacitance Motors // KORUS-2004 : Proceedings of 8th Korea - Russia International Symposium on Science and Technology, -Tomsk: P.H. TPU, 2004. - P. 254-256.

7. Ляпунов Д. Ю. Моделирование емкостного двигателя // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6 частях. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - Ч. 1. - С. 105-107.

8. Danil Yu. Lyapunov, Liliya N. Semenova, Rudolf F. Bekishev Capacity Electromechanical Systems [Текст] // Proceedings of the twelfth International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modem Techniques and Technologies». - Tomsk: P.H. TPU, 2005. - P. 83-85.

9. Ляпунов Д. Ю. Применение емкостных устройств для контроля и измерения параметров тонкопленочных структур в микроэлектронике и медицине // Измерение. Контроль. Информатизация: Материалы VI международной научно-технической конференции: Барнаул: Изд-во АГТУ, 2005. - С. 69-74.

10. Ляпунов Д. Ю. Электропривод с емкостным микродвигателем // Электротехника. Электромеханика. Электротехнологии: Материалы V региональной научно-практической студенческой конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - С. 113-115.

11. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Перспективы и проблемы создания емкостных устройств //Оборудование. Регион. - 2005. -№ 2(10).-С. 12-14.

12. Ляпунов Д. Ю. Динамические характеристики пленочного емкостного микродвигателя // Наука. Технологии. Инновации : Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. Ч. 7. -С. 181-183.

13. Danil Yu. Lyapunov, Anna I. Putilova Mathematical Model of the Capacitor Electromechanical Energy Converter // Proceedings of the twelfth International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies», - Tomsk: P.H. TPU, 2006. - P. 20-22.

14. Ляпунов Д. Ю., Путилова А. И. Разработка микроэлектромеханической системы с тонкопленочными элементами // Труды Всероссийской конференции - конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение». - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - С. 230233.

15. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю., Семенова Л. Н. Моделирование процессов преобразования энергии в емкостном микродвигателе // Электромеханические преобразователи энергии : Материалы международной научно-технической конференции. -Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - С. 53-57.

16. Danil Yu. Lyapunov. Simulation of Thin Film Microelectromechanical System // Proceedings of the thirteenth International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modem Techniques and Technologies», - Tomsk: P.H. TPU,2007.-P. 71-73.

17. Ляпунов Д. Ю. Многофункциональные емкостные микросистемы // Труды V международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. - Санкт-Петербург: Изд. «Новэкс», 2007. - С. 209-210.

18. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю., Особенности проектирования емкостных мик-

родвигателей // Электромеханические преобразователи энергии : Материалы международной научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - С. 87-89.

19. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Анализ энергоэффективности диэлектрических материалов емкостных микроэлектромеханических систем // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 263-265.

20. Ляпунов Д. Ю. Емкостные элементы микроэлектромеханических структур // Современные техника и технологии: Материалы XIV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых : в 2 т. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - Т. 1.-С. 391-392.

21. Danil Yu. Lyapunov. Capacity electromechanical systems // european journal of natural history, №2, 2008/ - P. 86-87.

22. Ляпунов Д. Ю. Современные методы проектирования емкостных микроэлектромеханических систем // Электромеханические преобразователи энергии : Материалы международной научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. -С. 150-153.

23. Анненков Ю. М., Бекишев Р. Ф., Ивашутенко А. С., Кабышев А. В., Ляпунов Д. Ю. Емкостные электромеханические преобразователи энергии на основе диоксида циркония // Электромеханические преобразователи энергии : Материалы международной научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - С. 463-468.

24. Danil Yu. Lyapunov. MEMS - Accelerometer for Automotive control and safety // IFOST 2009 // Proceedings of International Conference. - Ho Chi Minh City University of Technology, 2009. - P. 234-235.

25. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611928. Программа расчета характеристик емкостного микродвигателя с катящимся ротором; автор: Ляпунов Д. Ю., правообладатель: ГОУ ВПО Томский политехнический университет, заявл. 26.02.2008, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 18.04.2008.

26. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010613695 Программа расчета характеристик элсктро механизма в режиме датчика; автор: Ляпунов Д. Ю., правообладатель: ГОУ ВПО Томский политехнический университет, заявл. 09.04.2010, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 04.06.2010.

27. Патент на полезную модель 95323, Российская Федерация, МПК В81 ВЗ/00. Электромеханизм [Текст] / Автор Ляпунов Д. Ю., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет». - № 2010108272/22; заявл. 05.03.2010; опубл. 27.06.2010, Бюл. №18.-2 е.: ил.

Личный вклад автора. Публикации [5]-[7], [9]-[10], [12], [20]-[22], [24]-[27] выполнены без соавторов. В публикации [1] автору принадлежит обоснование применения высокоэнергоемких материалов в конструкциях микродвигателей с катящимся ротором (30%), в публикациях [2]-[4], [11], [13] - [17], [23] - разработка математических моделей емкостных микродвигателей (50%). В публикации [8] - анализ перспективных конструкций емкостных микродвигателей (50%), в публикации [18] - анализ методов проектирования емкостных микродвигателей, в публикации [19] - разработка программы, позволяющей выбирать наиболее подходящие диэлектрические материалы для изготовления емкостных микродвигателей с катящимся ротором.

Подписано к печати 24.11.2310. Форшг60х84/16. Бумага «Снегурочка».

Печать XEROX. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 0,95. _Заказ 2003-10. Тираж 110 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008

юшаьста^'гаг. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ.

1.1. Состояние работ по микроэлектромеханическим системам.

1.2. Анализ рынка и перспективы развития

МЭМС.

1.3. Сравнительная оценка индуктивных и емкостных преобразователей.

1.4. Варианты конструкций емкостных преобразователей.

1.4.1. Явнополюсный микроэлектромеханический преобразователь с воздушным зазором.

1.4.2. Емкостный гребневый преобразователь с воздушным зазором.

1.4.3. Емкостные преобразователи с катящимся ротором.

1.4.4. Балочная конструкция емкостного преобразователя.

1.4.5. Планарный пленочный преобразователь.

1.4.6. Микроструктурный нитевидный электромеханизм.

1.4.7 Емкостной электромеханизм с обратимым преобразованием энергии.

1.5. Выводы по главе 1.

2. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

2.1. Применение диэлектрических материалов для изготовления емкостных элементов МЭМС.

2.2. Полупроводниковые и проводниковые материалы для.создания микроэлектромеханических преобразователей.

2.3 Способы повышения энергетической эффективности 74 микроэлектромеханических емкостных преобразователей.

2.4 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЕМКОСТНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

3.1 Основы математического описания емкостных преобразователей.

3.2 Обобщенная модель емкостного преобразователя энергии.

3.3. Математическая модель конденсатора с подвижной обкладкой.

3.4. Математическая модель гребневого преобразователя.

3.5. Моделирование емкостного преобразователя в режиме датчика.

3.6. Математическая модель емкостного преобразователя с катящимся ротором.

3.7. Моделирование пленочного планарного емкостного преобразователя.

3.8. Моделирование емкостного электромеханизма с обратимым преобразованием энергии.

3.9. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1. Исследования емкостного электромеханизма.

4.2. Исследование тонкопленочной структуры.

4.3. Исследование пленочного преобразователя в режиме актюатора.

4.4. Выводы по главе 4.

Актуальность темы.

Микроэлектромеханические емкостные преобразователи в настоящее время широко используются в качестве датчиков и микродвигателей как основные функциональные элементы микроэлектромеханических систем (МЭМС). Их энергоемкость в области малых мощностей значительно превосходит энергоемкости индуктивных аналогов.

К областям использования емкостных микроэлектромеханических преобразователей относятся: высокоточные позиционные электроприводы для изготовления устройств нано- и микросистемной техники, контроль и диагностика технического состояния объектов, системы неразрушающего контроля конструкций, системы навигации для авиационной и космической, техники, системы безопасности транспортных средств и т. д.

Исследования в области МЭМС выполняются в РАН (Институт проблем механики, Институт кристаллографии, Институт автоматики и электрометрии), в научных центрах университетов (МГТУ им. Н. Э. Баумана, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (Центр микротехнологии и диагностики), Московский авиационно-технологический институт), исследовательский центр суперкомпьютеров и нейрокомпьютеров (г. Таганрог), НПК «Технологический центр» при МИЭТ (г. Зеленоград), в МНТК «Робот»,) и других организациях.

За рубежом данное направление развивают исследователи: prof. Tomas Bifano Boston University Photonics center, Professor Albert P. Pisano University of California Berkeley Mechanical Engineering, Professor Joey Talghader Nanosystems research group, Kenji Uchino International Center for Actuators and Transducers (ICAT) The Pensilvania State University и др.

Среди мировых фирм лидерами в производстве МЭМС являются Analog Devices, Texas Instruments, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor.

Основным функциональным элементом в микроэлектромеханических емкостных преобразователях является тонкая диэлектрическая пленка, которая используется для создания рабочего электрического поля и электромеханического преобразования энергии.

Полуэмпирические инженерные методики, взятые из соответствующих дисциплин (сопротивление материалов, электротехника, электроника, техническая термодинамика, классическое материаловедение и т. д.) должны быть дополнены современными высокоэффективными методами моделирования и проектирования устройств микросистемной техники. Эффективные и конкурентоспособные устройства могут быть разработаны и спроектированы лишь на основе глубокого физического анализа структуры объекта, закономерностей его поведения, прогнозирования его функциональных возможностей и характеристик.

Для оценки особенностей емкостных преобразователей, учетом, нелинейностей механических и электрических свойств материалов необходимы математические модели, позволяющие исследовать характеристики, как на. стадии проектирования, так и в процессе управления рабочими режимами МЭМС.

Перспективным направлением в области создания МЭМС является применение многофункциональных электромеханических преобразователей, обеспечивающих не только перемещение полезной нагрузки системы, но и одновременно выполняющего роль измерительного датчика положения. При этом важной характеристикой электромеханического преобразователя является его энергоэффективность.

Таким образом, актуальными являются разработка новых конструкций энергоэффективных микроэлектромеханических емкостных преобразователей и исследование их характеристик.

Объектом исследования является микроэлектромеханические емкостные преобразователи с пленочными элементами.

Предметом исследования является конструкция микроэлектромеханического емкостного преобразователя и его электромеханические характеристики.

Цель работы состоит в разработке способов улучшения свойств микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) обозначить основные особенности и тенденции развития микроэлектромеханических систем;

2) исследовать пути улучшения технических характеристик емкостных преобразователей;

3) рассмотреть возможности изготовления элементов емкостных преобразователей с использованием современных материалов и тонкопленочных технологий;

4) разработать математическую модель электромеханических характеристик;

5) определить основные рекомендации по проектированию микроэлектромеханических емкостных преобразователей энергии;

6) провести экспериментальные исследования и оценить полученные результаты.

Методы исследования. В диссертационной работе применены: математическая теория электромеханического преобразования энергии, численные методы решения дифференциальных уравнений, математическое моделирование и программирование в средах Е1си1>5.7, МаШСАО-14, Ма1;1аЬ-2008. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных выводов и результатов базируется на строгом использовании математического аппарата теории электромеханического преобразования энергии и теории диэлектриков, подтверждается моделированием на основе современных программных продуктов, качественным и количественным соответствием данных теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена модель электромеханической характеристики емкостного гребневого преобразователя, учитывающая нелинейный характер изменения жесткости упругого элемента его подвижной части.

2. Создана методика оптимизации размеров электродов неподвижной части микроэлектромеханического устройства с катящимся ротором и их взаимного пространственного положения, позволяющая рассчитывать конструкции преобразователей с высокой энергоемкостью.

3. Разработана конструкция емкостного преобразователя с обратимым преобразованием энергии, позволяющая одновременно получить сенсорные и актюаторные свойства микроэлектромеханического устройства.

Практическая ценность работы:

1. Создана компьютерная программа, позволяющая определять, энергоемкость микроэлектромеханических преобразователей с учетом изменений геометрических размеров подвижного и неподвижного элементов и. параметров применяемых диэлектрических материалов.

2. Разработана компьютерная программа, рассчитывающая оптимальную ширину электродов микроэлектромеханического емкостного преобразователя с катящимся ротором по критерию максимальной силы.

3. Разработана компьютерная программа, обеспечивающая расчет статических характеристик емкостного микроэлектромеханизма с обратимым преобразованием энергии с учетом параметров и-образного электрода.

Реализация результатов работы. Вариант конструкции емкостного преобразователя, выполняющего функции датчика давления, и методика расчета его элементов, позволяющая вычислять давление газообразной среды на основе деформации гибкого элемента преобразователя, используется на предприятии ОАО «Манотомь» (г. Томск) в качестве экспериментального образца. Вариант конструкции микроэлектромеханизма применяется в фирме ООО «НПФ ТДМ» (г. Томск) для оценки уровня вибрации щеточно-колекторного узла электродвигателя постоянного тока в составе регистрирующей установки. Результаты исследований также используются в учебном процессе подготовки студентов энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического института по направлению «Электроэнергетика и электротехника» по курсу «Теория электромеханического преобразования энергии».

Основные защищаемые положения:

1. Методика оптимизации размеров электродов неподвижной части микроэлектромеханического устройства с катящимся ротором и их взаимного пространственного положения, позволяющая рассчитывать конструкции преобразователей с высокой энергоемкостью.

2. Динамическая модель электромеханической характеристики гребневого емкостного преобразователя с пленочными элементами, учитывающая нелинейный характер изменения жесткости упругого элемента.

3. Конструкция емкостного преобразователя с обратимым преобразованием энергии, позволяющая одновременно получить сенсорные и актюаторные свойства микроэлектромеханического устройства.

4. Рекомендации на основе численных результатов моделирования конструкций, направленные на повышение энергоемкости микроэлектромеханических преобразователей.

5. Компьютерные программы, позволяющие определить энергоемкость микроэлектромеханических преобразователей с учетом геометрических конфигураций подвижного и неподвижного частей и параметров применяемых диэлектрических материалов, рассчитать статические и динамические характеристики микроэлектромеханических преобразователей с емкостными пленочными элементами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на следующих конференциях: X Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2004 - 2009 гг.; VII Русско-корейской конференции КОЬШЗ, г. Томск, 2004 г.; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2004 - 2006 гг.; VI Международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация», г. Барнаул, 2005 г.; V Региональной научно-практической студенческой конференция «Электротехника. Электромеханика. Электротехнологии», г. Томск, 2005 г.; Всероссийской конференции - конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение», г. Томск, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2005 - 2009 гг.; V Международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП, г. Санкт-Петербург, 2007 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск, 2008 г.; Международной конференции ПЮ8Т, Вьетнам, г. Хошимин, 2009.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 27 научных работах, в том числе: 4 статьях в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патенте РФ на полезную модель, 2 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 145 страниц, включая 56 рисунков, 10 таблиц, списка литературы из 105 наименований.

4.4. Выводы по главе 4

1. Экспериментальные исследования электромеханизма с обратимым преобразованием энергии выявили особенности зависимостей С(х), которая состоит в наличии точек перегиба, что вызывается конфигурацией Ц-образного электрода и ее изменением в процессе деформации. Чувствительность электромеханизма в режиме датчика составляем 0.024 пФ/мкм, что позволяет его эффективное использование для измерения перемещений от 4 мкм.

2. Испытание тонкопленочной структуры - металлизированной полиэтилентерефталатной пленки толщиной 4 мкм при подаче напряжения до 57 В выявило наличие остаточного заряда (электретного напряжения) после снятия питающего напряжения. Устранить данное явление возможно посредством кратковременной подачей питающего напряжения противоположной полярности. Несмотря на то, что пробивное напряжение ПЭТФ составляет более 300 В, явление пробоя наблюдалось уже при 50 В, что вызвано наличием проводящих пылевых частиц в рабочем зазоре структуры.

3. Предложена последовательность технологических этапов для изготовлении электромеханизма с обратимым преобразованием энергии.

4. Снята статическая характеристики пленочного преобразователя в режиме актюатора по управлению. Отмечено скачкообразное перемещение пленки при относительно плавном изменении напряжения, что объясняется медленными поляризационными явлениями в диэлектрике, а также дефектами тонкой пленки. Данные явления вызывают 20% отклонение экспериментальной характеристики от расчетной. При напряжении свыше 100 В наблюдались частичные пробои применяемой тонкой пленки (полиэтилентерефталат), которые приводят к невозможности выполнения преобразователем его функциональных свойств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена исследованию микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами для МЭМС. Исследования рынка МЭМС показывает, что в ближайшее десятилетие потребность в емкостных преобразователях МЭМС будет расти благодаря развитию нанотехнологий.

По результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана модель механической характеристики емкостного гребневого преобразователя с учетом нелинейной зависимости жесткости упругого элемента его подвижной части от перемещения, позволяющая учитывать связанные с этим особенности для проектирования конструкции. Сходимость вычислительной процедуры обеспечивается корректным выбором начальных условий и применением процедуры Балирша-Штера для решения системы дифференциальных уравнений 2-го порядка.

2. Исследована модель емкостного преобразователя в режиме датчика перемещений. Показано, что при варьировании параметра добротности О возможно улучшить показатели качества переходного процесса - время переходного процесса и перерегулирование. Найдены аппроксимирующие зависимости tш[Q) и 5((9), позволяющие оптимизировать конструкции акселерометров по критерию максимального быстродействия.

3. Разработана методика оптимизации размеров электродов неподвижной части емкостного преобразователя с катящимся ротором и их взаимного пространственного положения по критерию максимальной силы, приложенной к ротору. На основании методики определен эффективный диапазон изменения относительной диэлектрической проницаемости тонкопленочного диэлектрика для получения конструкций преобразователей с высокой энергоемкостью.

4. На основе уравнения энергетического баланса создана модель пленочного емкостного преобразователя, позволяющая исследовать динамические характеристики - зависимости перемещения и силы, приложенной к платформе от времени. При исследовании полученных характеристик установлено, что при окончании действия импульса напряжения, платформа движется по инерции, что необходимо учитывать при проектировании систем питания и управления данным преобразователем. Преобразователь обеспечивает шаг перемещения 0.515 мкм, максимальное усилие, приводящее платформу в движение, составляет 9.2 мН.

5. Разработана конструкция емкостного преобразователя с обратимым преобразованием энергии, позволяющая одновременно получить сенсорные и актюаторные свойства микроэлектромеханического устройства. На основе экспериментальных исследований подтверждена адекватность модели преобразователя в режиме датчика, максимальная отличие теоретической зависимости от экспериментальной не превышает 6%.

6. Создана экспериментальная установка планарной физической модели пленочного емкостного преобразователя. Исследована статическая характеристика - зависимость перемещения платформы от приложенного напряжения. Максимальное отличие экспериментальных данных от теоретических значений не превышает 20%.

7. Дальнейшее совершенствование конструкций емкостных преобразователей будет связана с разработкой программных продуктов для проектировани, позволяющих учитывать макро- и наноразмерные эффекты.

1. Микротехнологии и микроэлектромеханические системы перспективное научно-инновационное направление Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.mems.ru/pdf/Kompetenzia562006.pdf, свободный, 01.04.2008.

2. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам Текст.: Сборник статей под ред. д.т.н., профессора П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

3. Нано- и микросистемная техника Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.novtex.ru/nmst/confnews.php?idtable= 1 &file= 103 .htm/, свободный, 11.02.2010.

4. Анненков Ю.М., Кабышев A.B., Ивашутенко A.C., Власов И.В. Электрические свойства корундо-циркониевой керамики Текст. // Известия Томского политехнического университета. 2005. — Т. 308. - № 7. - С. 35-38.

5. Гольцова М. М., Юдинцев В. А. В. МЭМС: большие рынки малых устройств Текст. // Нано- и микросистемная техника, № 2, 2005. С. 9-13.

6. Гольцова М., Юдинцев В. МЭМС здесь, там, везде Текст. // Электроника: наука, технология, бизнес 1/2007, с. 114-119.

7. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии Текст. Москва: Техносфера, 2004. - 144 с.

8. Косцов Э. Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики Текст. //Автометрия, Т.45, №3. С. 3-52.

9. П.Гридчин В.А. Драгунов В.П. Физика микросистем Текст.: Учеб. пособие. В 2 ч. 41. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 416 с.

10. Российский рынок промышленных датчиков Электронный ресурс.: Режим доступа http://kipinfo.ru/info/stati/?id=181, свободный, 30.04.2010.

11. Казарян А. А. Пленочные датчики давления Текст.: М.: Бумажная галерея, 2006. 320 с.

12. МЕХАТРОНИКА основа интеллектуальной техники будущего Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.rtc.ru/publication/mehatron.shtml, свободный, 11.02.2010.

13. MEMS-технологии главный локомотив рынка сенсоров Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.3dnews.ru /news/memstehnologiiglavniilokomotivrinkasensorov/, свободный, 01.04.2008.

14. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник Текст.: Москва: Техносфера, 2006. 592 с.

15. National Nanotechnology Initiative Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.nano.gov/, свободный, 14.11.2010.

16. Нанотехнологии в России и в мире Электронный ресурс.: Режим доступа http://sgmlab.ru/nanotechnology-in-russia/nanotexnologii-v-rossii-i-za-rubezhom-nanotexnologii-v-agropromyshlennom-sektore/, свободный, 14.11.2010.

17. Боевые роботы США под водой, в небесах и на суше Электронный ресурс.: Режим доступа http://nvo.ng.ru/armament/2010-05- 14/8robots.html, свободный, 14.11.2010.

18. Роснано Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.msnano.com/Home.aspx, свободный, 15.11.2010.

19. Балабанов В. И. Нанотехнологии. Наука будущего. Текст.: М.: Эксмо, 2009. -256 с.

20. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности Текст.: Москва: Техносфера, 2008. 352 с.

21. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Перспективы и проблемы создания емкостных устройств Текст. // Оборудование. Регион. 2005. - № 2(10). - С. 12-14.

22. Boston University Электронный ресурс.: режим доступа http://people.bu.edu/bifano/, свободный, 16.10.2010.

23. Optomechanical Microsystems, Group University of Minesota, Department of Electrical and Computer Engineering Электронный ресурс.: режим доступа http://www.ece.umn.edu/groups/opticalmems/old/jtalghader.html, свободный,1610.2010.

24. University of California Berkeley Электронный ресурс.: режим доступа http://www.me.berkeley.edu/faculty/pisano/, свободный, 16.10.2010.

25. Kenji Uchino. Micromechatronics Текст.: New York: Marcel Dekker inc., 2003. -489 p.

26. Analog Devices Электронный ресурс.: режима доступа www.analog.com, свободный, 14.11.2010.

27. Texas Instruments Электронный ресурс.: режима доступа www.ti.com, свободный, 14.11.2010.

28. STMicroelectronics Электронный ресурс.: режима доступа http://www.st.com/stonline/company/index.htm, свободный, 14.11.2010.

29. Freescale Semiconductor Электронный ресурс.: режима доступа http://www.freescale.com/, свободный, 14.11.2010.

30. Лаборатория нано- и микросистемной техники Санкт-Петербургскогогосударственного политехнического университета Электронный ресурс. :j

31. Режим доступа: http://www.mems.ru/, свободный, 09.07.2009.

32. Беляев В. МЭМС/МСТ в современной технике на примере автомобилестроения и авиации Текст. // Нано- и микросистемная техника, № 5, 2006. С. 36-^14.

33. Автомобильные акселерометры Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.kit-e.ru/articles/sensor/2005832.php, свободный, 21.11.2010.

34. Вопилкин Е. А. Возможности микроэлектромеханических систем Текст. // Нано- и микросистемная техника, № 1, 2009. С. 47-50.

35. Горнев Е. С. Датчики становятся меньше, функциональнее и умнее Текст. // Нано- и микросистемная техника, № 5, 2009. С. 18-28.

36. Микротехнологии и микроэлектромеханические системы перспективное научно-инновационное направление Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.mems.ru/pdf/Kompetenzia562006.pdf, свободный, 01.04.2008.

37. Полотовский Л. С. Емкостные машины постоянного тока высокого напряжения Текст.: Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 155 с.

38. Сканави Г. И. Физика диэлектриков. Область сильных полей. Текст.: М., Л.: ГИФМЛ, 1958.-908 с.

39. Danil Yu. Lyapunov, Liliya N. Semenova, Rudolf F. Bekishev Capacity Electromechanical Systems Текст. // Proceedings of the twelfth International Scientific and

40. Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists «Modern Techniques and Technologies». Tomsk: P.H. TPU, 2005. - P. 83-85.

41. Каплянский A. E. Введение в общую теорию электрических машин Текст.: М., Л.: Государственное энергетическое издательство. 1941. - 96 с.

42. Патент РФ №2182398. МПК H02N001/10 Способ электромеханического преобразования электрической энергии в механическую, и наоборот Текст. / Дудышев В. Д., Завьялов С. Ю., Опубл. 10.05.2002.

43. Патент РФ на изобретение № 2 281 909. МПК51 В81В 3/00. Электромеханизм микроструктурный нитевидный / Лившиц В.И (автор), Конявский В.А. (патентообл.). Заявлено 05.10.2004; Опубл. 20.08.2006, Бюл. №20.-27 е.: ил.

44. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение Текст. -М.: Техносфера, 2006. -224 с.

45. Дятлов В. Л. Электростатические устройства и машины из тонких пленок. Электромеханические среды Текст. // Моделирование в пленочной электромеханике (Вычислительные системы, 131). Сборник научных трудов. — Новосибирск, 1989. С. 3-33.

46. Иоффе А. Ф. О механической прочности тонких слоев вещества Текст. // Избранные труды. Том 1. Механические и электрические свойства кристаллов. Изд-во «Наука», Ленингр. отд., Л., 1974. 327 с. С. 284-286.

47. Дятлов В.Л., Коняшкин В.В., Потапов Б.С., Фадеев С.И. Пленочная электромеханика Текст.: Новосибирск: Наука, 1991. -247 с.

48. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин Текст.: Учеб. для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2001. - 327 с.

49. Дятлов В. Л., Коняшкин В. В., Потапов Б. С. Структуры М-Г-Д-М с подвижными пленками Текст. // Моделирование в пленочной электромеханике

50. Вычислительные системы, 95). Сборник научных трудов. Новосибирск, 1982. -С. 3-23."

51. История электротехники Текст. / Под ред. И.А. Глебова М.: Издательство МЭИ, 1999. - 524 с.

52. MEMS and Nanotechnology Exchange Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.mems-exchange.org/, свободный, 08.03.2010.

53. Springer Handbook of Nanotechnology Текст. / edd. By В. Bhushan. Berlin: Springer-Verlag, 2004. 1222 p.

54. Челухин В. А. Емкостный электродвигатель с сегнетоэлектриком Текст. // Электричество, №3.- 1992. С. 51-55.

55. Колпаков Ф.Ф., Борзяк Н.Г., Кортунов В.И. Микроэлектромеханические устройства в радиотехнике и системах телекоммуникаций Электронный ресурс.: режим доступа http://k504.xai.edu.ua/html/library/MMUvRST.pdf, свободный, 30.11.2010.

56. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Перспективы создания емкостных высокоэнергоемких микродвигателей Текст. // Известия ВУЗов. Электромеханика, №3, 2006. С. 26-30.

57. Danil Yu. Lyapunov The Constructions of the Capacitance Motors Текст. // KORUS-2004 : Proceedings of 8th Korea Russia International Symposium on Science and Technology, - Tomsk: P.H. TPU, 2004. - P. 254-256.

58. Бекишев Р. Ф., Семенова JI. Н., Ляпунов Д. Ю. Емкостные микродвигатели с катящимся ротором Текст. // Известия Томского политехнического университета. -2004. Т. 307. -№ 1. - С. 137-139.

59. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику Текст. М.: Машиностроение, 2007. -496 с.

60. Основы сканирующей зондовой микроскопии Электронный ресурс.: режим доступа http://www.ntmdt.ru/spm-basics/view/effective-mass-eigenfrequency-cantilever, свободный, 30.11.2010.

61. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Особенности проектирования емкостных микродвигателей Текст. // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы международной научно-технической конференции. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - С. 87-89.

62. Дударев Е. Ф. Микропластическая деформация и предел текучести микрокристаллов Текст. — Томск: Изд-во Том. ун-та. 1988. - 256 с.

63. A greater measure of confidence Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.keithley.com/, свободный, 29.04.2010.

64. Бородулин В.Н., Воробьев A.C., Матгонин В.М. Электротехнические и конструкционные материалы Текст. / Под ред. Филикова В.А. М.: Мастерство: Высш. шк., 2000. - 280 с.

65. Дятлов B.JL, Коняшкин В.В., Потапов Б.С., Пьянков Ю.А. Планарные электрические микродвигатели Текст. // Электричество, 1996, № 1. С. 8-18.

66. Кевлар Электронный ресурс.: режим доступа http://sturm-moskva.com/statji/kevlar, свободный, 30.11.2010.

67. Найдено вещество с гигантским значением диэлектрической проницаемости Электронный ресурс.: Режим доступа: http:// electromost.by/' news/full/ najdeno veschestvo s gigantskim znacheniem dielektricheskoj pronicaemosti/, свободный, 25.02.2010.

68. Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики Текст.: СПб: Типография ОАОНИИ «Гириконд», 2000. 246 с.

69. Воробьев Г.А. Свойства диэлектриков. Учебное пособие. Томск: ТУСУР 2002. -127 с.

70. Артур Р. Хиппель. Диэлектрики и их применение Текст. // Под ред. Казарновского Д.М. М., JL: Государственное энергетическое издательство, 1959.-336 с.

71. Воробьев Г. А., Мухачев В. А. Пробой тонких диэлектрических пленок Текст.: М.: «Сов. радио», 1977. 72 с.

72. C.L. Li, Z.H. Chen, D.F. Cui. Effect of oxygen content on the dielectric and ferroelectric properties of laser deposited ВаТЮз thin films Текст. // Journal of Physics: Condensed Matter 13 (2001) 5261-5268.

73. Pertsev N.A., Koukhar V.G. Polarization instability in polydomain ferroelectric epitaxial thin films and the formation of heterophase structures Текст. // Physical review letters 17 April, 2000.

74. Xiaomei Lu, Jinsong Zhu, Zhiguo Liu, Xiaoshan Xu, Yening Wang. Phase transition related stress in ferroelectric thin films Текст. // Thin solid films 375 (2000) 15-18.

75. Hiromu MIYAZAVA, Eiji NATORI, Tatsuya SHIMODA, Hiroki KISHIMOTO, Fumiyuki ISHII, Tamio OGUCHI. Relationship between lattice deformation and polarization in BaTi03 Текст. // J. Applied Physics. Vol. 40 (2001) pp. 5809-5811.

76. Любченко B.E., Митягин А.Ю., Поморцев Л.А. Алмаз перспективный материал для наноэлектроники Текст. // Инженерная физика, №5. - 2003. - С. 51-58.

77. Компоненты и технологии. Автомобильные акселерометры Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.kit-e.ru/articles/sensor/2005832.php, свободный, 15.11.2010.

78. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии Текст.: М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 416 с.

79. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехнологии в технике Текст.: М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.142

80. В. Киреев, А. Столяров Технологии микроэлектроники. Химическое осаждение из газовой фазы Текст.: М.: Техносфера, 2006. — 192 с.

81. Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля: Справочное пособие для электротехнических специальных вузов Текст. М. : Высш. шк., 1989. - 271 с.

82. Калашников С.Г. Электричество: Учебное пособие Текст. 6-е изд., стереот. -М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 624 с.

83. Введение в microengineering Электронный ресурс.: Режим доступа http://micromachme.narod.ru/electrostatic.htm, свободный, 12.11.2010.

84. Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники Текст.: М. : Высшая школа, 1972. 447 с.

85. Ляпунов Д. Ю. Моделирование емкостного двигателя Текст. // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6 частях. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. Ч. 1. - С. 105-107.

86. Бекишев Р. Ф., Ляпунов Д. Ю. Преобразование энергии в микроэлектромеханических системах Текст. // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. -2008. -№ 9-10/1. С. 156-161.

87. Каравашкин С. Б., Каравашкина О. Н. Особенности распространения продольных волн сжатия в однородном упругом стержне конечного сечения Электронный ресурс.: Режим доступа http://selftrans.narod.ru/v22/roci/rod20/rod20rus.html, свободный, 12.11.2010.

88. Основы измерения вибрации Электронный ресурс.: режим доступа http://www.vibration.ru/osnvibracii.shtml, свободный, 30.11.2010.

89. Stephen D. Senturia, Microsystem Design Текст.: Kluwer Academic Publishers, 2002.

90. Danil Yu. Lyapunov. MEMS-Accelerometer for Automotive control and safety Текст.: // IFOST 2009 // Proceedings of International Conference. Ho Chi Minh City University of Technology, 2009. - P. 234-235.

91. Baginsky I.L., Kostsov E.G. High-energy capacitance electrostatic micromotors Текст. // J. of Micromechanics and Microengineering. — 2003. № 13. -P. 190-200.

92. Коняшкин B.B. Релаксация сил в пленочных емкостных структурах Текст. // Вычислительные системы. Моделирование в пленочной электромеханике. 1982. — № 95. - С. 54-61.

93. Светозаров В.В. Основы статистической обработки результатов измерений Текст.: Учебное пособие. -М.: Изд. МИФИ, 2005. 40 с.

94. Ананьин П. С., Баинов Д. Д., Косицын Л. Г., Кривобоков В. П., Легостаев В. Н., Юдаков С. В. Плазменная установка для нанесения покрытий на поверхность твердых тел «ЯШМА-2» Текст. // Приборы и техника эксперимента, 2004, №4, с. 138-141.