автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Термомеханические актюаторы для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства

На правах рукописи

УДК 621.486

Козлов Дмитрий Владимирович

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2012

Москва-2012

005046453

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана и ОАО «Российские космические системы»

Научный руководитель

чл.- корр. РАН, д-р техн. наук, профессор

Шахнов Вадим Анатольевич

Официальные оппоненты:

д-р техн. наук, профессор

Костиков Владимир Григорьевич

(нач. отдела НТЦ НИЭМИ ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей», г. Москва)

канд. техн. наук

Волохов Игорь Валерианович (главный технолог, начальник НИТК ОАО «НИИФИ», г. Пенза)

Ведущая организация

Московский институт электронной техники (НИУ «МИЭТ», г. Москва, Зеленоград)

Защита диссертации состоится « 2 » октября 2012 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.02 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, Госпитальный пер., д.10, ауд. 613м.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба выслать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 5 » июля 2012 г.

Телефон для справок: 8(499) 267-89-63.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Муратов И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время растёт интерес к микроминиатюрным электромеханическим преобразователям - устройствам микросистемной техники, что обусловлено значительными возможностями, позволяющими резко расширить те сферы применения, где необходимы небольшие масса и габариты при значительных функциональных возможностях - научное приборостроение, микроробототехника, телекоммуникационные системы, биомедицинские технологии, изделия космического применения и пр. Методы производства микроэлектромеханических систем, основанные на технологии микрообработки кремния, предлагают возможность изготовления дешёвых и миниатюрных устройств, сравнимых по функциональности с более крупными аналогами. Однако данная технология имеет большой недостаток в виде неприспособленности к изготовлению трёхмерных структур. Это препятствие пытаются преодолеть самыми различными способами. Один из них — метод использования дополнительного полиимидного слоя. Данное решение содержится в конструкции разрабатываемого термомеханического актюатора.

Термомеханические актюаторы способны выдерживать миллионы циклов срабатывания, жёсткие условия открытого космического пространства, не содержат механических, склонных к быстрому износу деталей и обладают хорошим соотношением цена/качество благодаря возможности их группового изготовления. Разработка термомеханических актюаторов предложенного типа уникальна для РФ и требует подробного обзора существующих прототипов, моделирования и экспериментального исследования их выходных характеристик, в том числе при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи — разработке конструкции и исследованию функциональных возможностей термомеханических актюаторов для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства с целью их применения в высокотехнологичных изделиях микророботехники и систем управления.

Состояние проблемы. Большой вклад в разработку и исследование термомеханических актюаторов внесли шведские учёные Э. Кальвестен (Е. Kalvesten) и Т. Эбефорс (Т. Ebefors) своей работой «Polyimide V-groove joints for three-dimensional silicon transducers» (Стокгольм, Швеция: Royal Institute of Technology, 2000). Кроме того, известны работы таких учёных, как М. Гад-Эль-Хака (М. Gad-el-Hak), В. Ритмюллера (W. Riethmuller), Н. Тиена (N. Tien), М. Атака (М. Ataka) и др.

Однако, материалы, представленные в данных работах, не обладают полнотой в части теоретического и экспериментального исследования характеристик актюаторов, а также не отражают поведение актюатора при воздействии дестабилизирующих факторов открытого космического пространства и при временном «старении».

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка принципа функционирования, математической модели, конструкции и проведение экспериментальных исследований, направленных на изучение влияния конструкционных параметров и внешних возмущающих воздействий на его работу.

Решаемые задачи:

1. Обзор имеющихся конструкций актюаторов и выбор наиболее эффективного принципа действия.

2. Моделирование поведения термомеханического актюатора при различных возмущающих воздействиях, а также влияния конструкционных факторов на его характеристики, оценка точности моделирования.

3. Определение основных параметров, влияющих на работу термомеханических актюаторов, степени их влияния и возможных методов их исследования.

4. Анализ и разработка методик, создание стендов по исследованию характеристик термомеханических актюаторов, в том числе в условиях, близких к условиям открытого космического пространства.

5. Разработка методики испытаний на циклическую нагрузку термомеханического актюатора в целях установления примерного времени до отказа изделия.

6. Проведение испытаний актюаторов по разработанным методикам, направленных на установление влияния конструкционных параметров, а также внешних возмущающих воздействий на эксплуатационные характеристики термомеханических актюаторов.

Методы исследования. Для анализа и исследования выходных характеристик термомеханических актюаторов применено моделирование с использованием САПР, основанной на методе конечно-элементного анализа. В ходе экспериментальных исследований применены оптический и гониометрический методы измерения деформации, пирометрический метод измерения температуры и акусто-резонансный метод измерения силовых характеристик.

Научная новизна работы:

1. Разработан оригинальный конструктивный вариант термомеханического актюатора с У-образными канавками, отличающийся высоким ресурсом работы при эксплуатации в условиях открытого космического пространства.

2. Разработана модель перемещения термомеханического актюатора с периодической структурой, подвергаемой активному или пассивному тепловому воздействию, отличающаяся широкими возможностями задания внешних влияющих факторов.

3. Разработана серия новых методов исследования выходных характеристик термомеханического актюатора, отличающихся высокой точностью, универсальностью и широким кругом измеряемых параметров, частично имитирующая ряд дестабилизирующих факторов открытого космического пространства.

4. Проведено комплексное исследование выходных характеристик термомеханических актюаторов, позволившее определить степени влияния конструктивных факторов, а также внешних возмущающих воздействий.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена положительными результатами проведенных экспериментальных исследований, а также использованием разработанных моделей и методик в НИР и ОКР, позволивших успешно изготавливать работоспособные образцы термомеханических актюаторов и устройства на их основе.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конструкция термомеханического актюатора, обеспечивающая управляемое перемещение подвижного элемента и усилия до 5 мН в условиях, близких к условиям открытого космического пространства на протяжении 32 и более миллионов циклов.

2. Методы исследования характеристик актюатора, обеспечивающие измерение величины деформации по углам отклонения до 180 градусов в диапазоне температур от 123 до 583 К с погрешностью 0,24 градуса; определение температурного коэффициента линейного расширения полиимидного слоя в структуре актюатора с погрешностью 4,2 %; измерение нагрузочной способности актюаторов с погрешностью 2,3% в диапазоне от 0,1 мН до 2,15 Н; оценку влияния конвективной составляющей на характеристики актюатора, а также возможность судить о жизнеспособности актюаторов и стабильности их характеристик в процессе эксплуатации.

3. Аналитическая тепловая и численная электро-термо-механическая модели термомеханического актюатора, позволяющие установить конструктивные параметры работоспособного актюатора с требуемыми выходными характеристиками.

4. Результаты исследования характеристик актюаторов, позволяющие подтвердить положения об их высокой надёжности, функциональности и возможности их применения в условиях открытого космического пространства.

5. Рекомендуемые режимы функционирования термомеханических актюаторов, обеспечивающие улучшение его термодеформационных характеристик и увеличение частоты срабатывания.

Практическая значимость и результаты внедрения. Разработанные термомеханические актюаторы, методы и результаты их исследований использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и разработках ОАО «Российские космические системы»: «Разработка базовых технологий и конструкций, комплектов технологической и конструкторской документации на изготовление микроприводов с напряжением управления» (гос. контракт №754 - Б028/08 от 23.07.2008 г.); «Исследование путей создания малогабаритных антенн с управляемыми характеристиками на основе метаматериалов» (гос. контракт № 16.740.11.0080 от 01.09.2010 г.). На предприятии создана опытная партия образцов термомеханических актюаторов и разработаны КД, ТД и ТУ на них.

Разработанные методы, модели, а также режимы функционирования термомеханических актюаторов внедрены в производственные процессы ОАО «Российские космические системы» и позволили изготавливать актюаторы с заданными, необходимыми для конкретного применения характеристиками и подтверждать их достоверность проведёнными испытаниями.

Результаты работы использованы в учебный процесс на кафедре «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Основной практической ценностью работы является возможность создания функционально законченных систем на основе термомеханических актюаторов, позволяющих при меньших размерах и большей надёжности решать аналогичные существующим системам задачи в условиях открытого космического пространства.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VII и VIII всероссийских научно-практических конференциях «Микротехнологии в авиации и космонавтике» (г. Москва, 2009, 2010 гг.); II и IV всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (г. Москва, 2009, 2011 гг.); III международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2010 г.); международном форуме «Дорога к звёздам» (г. Королёв,

2011 г.); XIV молодёжной международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы — 2012» (г. Москва,

2012 г.); XV Юбилейном международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012».

Работа отмечена серебряной медалью XV Юбилейного международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012» и стипендией Президента РФ.

Публикации. По материалам и основному содержанию работы опубликованы 12 научных работ в научно-технических журналах и трудах конференций, из них 4 научные работы опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, оформлено 3 заявки на патент РФ на изобретение, получившие положительное решение о выдаче патента, получен 1 патент РФ на изобретение. Результаты работы отражены в 5 научных отчётах, выполненных в ОАО «Российские космические системы» при участии автора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 198 страницах, включая 105 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 60 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность решения поставленных в диссертации задач и научная новизна, показаны цели работы. Рассмотрены основные области применения объекта исследования. Кратко описаны основные трудности, возникающие при исследованиях термомеханических актюаторов и возможности по улучшению их характеристик.

В первой главе проведён сравнительный обзор известных конструктивных вариантов и принципов действия микросистемных актюаторов. Предложена классификация актюаторов и приведены наиболее значимые их характеристики.

Для электростатических актюаторов положительным является скорость их функционирования (до 5 кГц), но небольшие перемещения и усилия, а также высокое напряжение срабатывания и нелинейность рабочих характеристик относятся к их недостаткам. Магнитные актюаторы малочувствительны к влажности и пыли, хорошо подходят для устройств, в которых присутствуют большие токи и напряжения, дают большие перемещения подвижного элемента актюатора и обладает значительными усилиями, но при их изготовлении существует ограничения по выбору магнитного материала, к тому же трёхмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне, актюаторы потребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла. Пьезоприводы обладают высоким коэффициентом полезного действия и быстродействием, но очень малыми величинами перемещения и большим значением управляющего напряжения.

Основным недостатком термомеханических актюаторов является их низкое быстродействие и коэффициент полезного действия. При этом во многих задачах это компенсируется одними из самых высоких усилий и величин деформаций (порядка 50%). Микроробототехнические устройства для использований в условиях открытого космического пространства, на которых планируется применение разработанных актюаторов, требуют, прежде всего, стабильных характеристик исполнительного элемента, высоких усилий, широкого диапазона деформаций, необходимых для перемещений объектов, а также простой групповой технологии их изготовления. Всем этим параметрам наиболее полно удовлетворяет термомеханический тип актюатора с V-образными полиимидными канавками, который и был выбран в качестве предмета исследования и разработки.

Во второй главе проведено моделирование работы термомеханического актюатора. Результатом построения аналитической тепловой модели стала система из двух дифференциальных уравнений, описывающая процессы теплообмена внутри структуры актюатора. Решением системы является следующее выражение:

=-, Г * и / .-Г,--[1-ехр(—0.175-г)] (1)

где и — напряжение питания актюатора, N — количество полиимидных вставок, И — толщина актюатора,

я>7)1 — ширина верхней грани кремниевого резистора, Ъ — ширина актюатора,

и — тепловые проводимости между элементами актюатора и окружающей средой.

Определив температурное распределение возможно найти и отклонение хвостовика актюатора от первоначального положения:

&у{т)=2-N •

где а — температурный коэффициент линейного расширения полиимида, входящего в состав актюатора.

Таким образом, показано, что деформационные характеристики термомеханического актюатора зависят от значения температуры нагретой зоны, количества канавок и от характеристик деформируемого материала в канавках. В свою очередь, температуру нагретой зоны определяют временные составляющие, характеристики подаваемого электрического сигнала, геометрические параметры актюатора и параметры теплообмена с окружающей средой. В то же время такой параметр, как глубина залегания полиимида в канавке при прочих равных условиях оказывает не существенное влияние на его деформационные характеристики. Ширина актюатора влияет в большей степени на электрические характеристики кремниевых резисторов и при сопоставимых значениях мощности тоже не оказывает существенного влияния на деформацию актюатора, сказываясь лишь на его силовых характеристиках.

Численная модель электро-термо-деформационных процессов при работе актюатора составлена в программном комплексе конечно-элементного анализа АЫБУЗ. Определено распределение температуры при работе актюатора от электрического напряжения. Установлены значения перемещений и нагрузок актюатора заданного типоразмера при напряжении в 10 В и при различных внешних температурных воздействиях. Установлены значения возникающих в структуре актюатора механических напряжений, показано, что максимальные напряжения локализованы в месте закрепления актюатора. Результаты проведенных расчётов модели подтвердили работоспособность термомеханического актюатора в условиях жёсткого температурного воздействия, в том числе и соответствующим условиям открытого космического пространства. Определено значение нагрузки в 1,3 мН, соответствующее массе, которую способен выдержать актюатор при работе от напряжения 10 В.

Результатом параметрических расчётов стало определение влияний электрического напряжения, температурного и силового воздействия на выходные характеристики актюатора. С помощью полученной параметрической модели проанализировано влияние размеров актюатора,

(а-5л(г)+1).| 2-ф5,26-/^

2-И

-шЛ 2-^ 35,26-

Го

2-Ы

(2)

глубины залегания полиимида, количества канавок, содержащих полиимид, а также используемых материалов и других факторов на исследуемые характеристики (перемещение, нагрузки, температурное взаимодействие, внутренние напряжения в структуре) как в статике, так и в динамике. Установлена зависимость, определяющая степень влияния температурного коэффициента линейного расширения полиимидного слоя на работу термомеханического актюатора.

В третьей главе подробно рассмотрена конструкция термомеханического актюатора и принцип его работы. Определены наиболее подходящие материалы, используемые при изготовлении термомеханических актюаторов. Приведены основные технологические операции, применяемые на этапе изготовления актюаторов.

На рисунке 1 представлена конструкция предложенного актюатора. Отличительными признаками конструкции является применение V-образных канавок, выполненных в кремнии, заполненных термостойким полимером -полиимидом, и предназначенных для обеспечения многократной деформации конструкции под действием температур. Деформация происходит за счёт разницы в значениях температурных коэффициентов линейного расширения полиимида и кремния, входящих в структуру. При нагреве каждая из трапециевидных полиимидных вставок испытывает деформацию, причём верхняя грань в абсолютном значении расширяется больше, чем нижняя, а граница кремний-полиимид остаётся неподвижной, благодаря чему и происходит изгиб балки актюатора. Нагрев происходит за счёт сформированных на нижней поверхности резисторов, либо за счёт резисторов, сформированных из кремниевых вставок. Во втором варианте значительно упрощается технология и увеличивается надёжность системы в целом.

Рисунок 1. Термомеханический актюатор (а) и его фотографии (б)

Таким образом, в качестве материалов для изготовления термомеханических актюаторов выбраны следующие: кремний как основной структурный слой и как резистивный слой, полиимид как слой, обеспечивающий деформацию

Полиимид

а

б

актюатора, и алюминий, образующий слой проводников, обеспечивающих подачу питания на резисторы.

Проанализированы применяемые методики по исследованию термомеханических актюаторов, составлены сравнительные таблицы различных методов изучения деформационных и силовых характеристик. Выбраны наиболее предпочтительные варианты, позволяющие с большой точностью, достоверностью и стабильностью проводить измерения и максимально продуктивно использовать эти результаты в научно-исследовательской деятельности. Результатом выбора стали следующие методы:

- метод измерения деформаций термомеханических актюаторов длиной (250) мм с частотой (0 — 30) Гц при воздействии температур от 123 до 583 К, основанный на применении гониометрического метода, обеспечивающего измерение величины деформации по углам отклонения до 180±0,05 градусов относительно базовой линии с погрешностью 0,24 градуса. Методика также позволяет рассчитывать температурный коэффициент линейного расширения применённого полиимида с погрешностью 4,2 % и коэффициент деформации, характеризующий конструкцию термомеханического актюатора. Формула для определения температурного коэффициента полиимида представлена ниже:

i

' д т

2 п

cosí 35,26 - — | • cosí 35,26 - —

2и

cosí 70.52 - —

± Icos"

А

35,26-— -eos' 2 п

35,26- — 2 п

70,52- —

cosí 70.52 - —

--1

(3),

где Уч ~ угол отклонения актюатора при начальной температуре, град., у — угол отклонения актюатора при заданной температуре, град., п — количество канавок в конструкции актюатора, шт., ДТ — диапазон изменения температуры, К;

- метод измерения силовых характеристик балок термомеханических актюаторов, подвергнутых воздействию контролируемой нагрузки в диапазоне от 0,1 мН до 2,15 Н, позволяющий оценивать нагрузочную способность актюаторов с погрешностью 2,3%;

- метод многоцикловых усталостных испытаний балок термомеханических актюаторов при заданной температуре и частоте, позволяющий судить о жизнеспособности актюаторов и стабильности их характеристик в процессе эксплуатации и оценивать влияние «старения» материалов балок на эти характеристики;

- метод исследования тепловых и электрических характеристик термомеханических актюаторов, в том числе в условиях пониженного

атмосферного давления в диапазоне от 1 атм. до 10"4 Па, основанный на бесконтактном и/или термопарном методе измерения температуры и использовании вакуумной камеры установки магнетронного напыления, позволяющий определять влияние конвективной составляющей на теплообменные процессы и электрические характеристики в ходе работы актюатора.

Предложены варианты применения термомеханических актюаторов, среди которых: датчики положения и температуры, устройство защиты интегральных микросхем от электрических и/или тепловых перегрузок, системы на основе конвейерных линий термомеханических актюаторов, система контроля колебаний балочных несущих конструкций технологических космических аппаратов, система управления положением функциональной поверхности, а также микроробототехническое устройство с клеящим слоем на основе «сухого адгезива». Рассмотренные варианты отличаются от аналогов, в первую очередь, малыми массогабаритными параметрами, а также высоким ресурсом работы.

В четвертой главе представлены результаты проведённых по разработанным методикам экспериментальных исследований, направленных на изучение влияния внешних дестабилизирующих факторов и конструкционных параметров термомеханических актюаторов на их силовые и термодеформационные характеристики как в статике, так и в динамике.

Для проведения экспериментов были изготовлены несколько партий термомеханических актюаторов. Каждый из актюаторов состоял из 30 и более канавок, заполненных полиимидом, габариты актюатора составили приблизительно 15x3x0,18 мм.

Результаты исследований можно разделить на следующие категории.

Исследование термодеформационных характеристик. Подтверждены линейные формы зависимостей деформации актюатора от температуры его нагрева и подаваемого напряжения (при нагреве до 500 К).

Напыление дополнительного алюминиевого слоя на верхнюю сторону актюатора способствует защите полиимида от влияния факторов космического пространства и незначительно сказывается на его характеристиках.

Уменьшение толщины полиимидного слоя со стороны кремния не сказывается на термодеформационных характеристиках, в то время как уменьшение толщины со стороны полиимида приводит к резкому ухудшению характеристик актюатора.

Таким образом, определено, что с точки зрения направленного регулирования термодеформационных характеристик термомеханических актюаторов, важнейшую роль играет толщина полиимидного слоя в упруго-шарнирной области. Изменением толщины возможно в широком пределе регулировать как первоначальный угол отклонения актюатора, так и угол его отклонения при изменении температуры.

Исследование термоэлектрических характеристик. Значение мощности, потребляемой актюатором, не превышает 1 Вт. Определено распределение температуры на актюаторе при работе от электрического напряжения, тепло

концентрируется в центре актюатора и распределено по длине деформируемой зоны с расхождением в 18 %.

Проведено исследование влияния температуры на электрические характеристики кремниевых нагревательных элементов, результатом которого стал вывод о том, что режим работы актюатора следует определять граничной температурой в 500 К. При заданной температуре наблюдается резкое изменение сопротивления кремния — происходит падение сопротивления за счёт резкого увеличения концентрации носителей заряда в кремнии, что приводит к перегреву структуры.

В связи с этим разработано предложение по оптимизации рабочего цикла, что позволяет термомеханическому актюатору функционировать в диапазоне температур, близком к критическому для полиимида в 673 К, что, в свою очередь, увеличивает термодеформационные характеристики и частоту срабатывания актюатора.

Предложение основано на использовании режима работы с ограничением по току, подаваемому на актюатор. Удаётся добиться максимального угла отклонения актюатора при сохранении начальной деформации в условиях отсутствия нагрузок, что невозможно достичь при стандартном питании. Наглядно работу актюатора демонстрирует график на рисунке 2.

Ы 1000

со о.

СВ

о,

О)

га 2

О Ы га

800 700 600

300

_ I

....... / критическая точка

/ для полиимида

/

1

У .................

0

50

100

150

200 250 Сила тока (мА)

Рисунок 2. Влияние силы тока на максимальную температуру на актюаторе

Также разработан режим работы актюатора, позволяющий увеличить частоту его срабатывания. Рабочий цикл актюатора в этом случае состоит из двух этапов. На первом этапе формируется прямоугольный импульс амплитудой 30 В (с ограничением по току много большим рабочего) и длиной, достаточной для нагрева тела до критической температуры, который определяется экспериментально или приближённо посредством расчётов. На втором этапе ограничение по току ступенчато уменьшается до значения, соответствующего значению тока при заданной температуре (рисунок 2). Данное решение

позволяет увеличить скорость нагрева актюатора более чем в два раза, при этом слой полиимида не теряет свои термодеформационные свойства.

Установлено, что при температурах, близких к критической для полиимида, происходит усадка полиимида (при температурах выше технологической температуры имидизации), в результате чего начальный угол отклонения хвостовика актюатора несколько увеличивается, при этом динамический угол отклонения сохраняется. Для решения данной проблемы предложено проводить отжиг актюатора в печи, либо в результате «холостой» его работы в течение определённого времени (определяется экспериментально: чем больше, тем стабильнее начальный угол отклонения в результате дальнейшей работы актюатора). При наличии датчика обратной связи по положению актюатора, возможно также решить эту проблему, каждый раз задаваясь текущим положением актюатора.

Исследование динамических характеристик. Проведено исследование изменения угла отклонения и температуры на актюаторе во времени (рисунок 3).

Рисунок 3. Временная характеристика работы актюатора при воздействии напряжения 20 В

Для оптимизации работы термомеханического актюатора предложено использовать уменьшенный рабочий диапазон, обеспечивающий более высокую скорость отклика системы на воздействие электрического напряжения. Так, время на нагрев снижается в 4 раза, а остывание происходит быстрее в 6 раз (соответствует частоте работы актюатора в 0,4 Гц), при этом динамический угол уменьшается всего лишь в 2 раза.

Проблема при работе в уменьшенном диапазоне заключается в реализации алгоритма управления подобной схемы, а также необходимости наличия обратной связи по температуре или по перемещению актюатора. Поэтому разработан периодический режим работы актюатора (рисунок 4), позволяющий

расширить рабочий диапазон температур до 673 К и увеличить скорость работы актюатора в 2,5 раза и более при увеличении диапазона перемещений в 1,4-1,7 раза, при этом отсутствует необходимость в обратной связи при выходе на стабильный режим работы.

Время

^ Ч-,-,---,---,-,-,-,-,

О 10 20 30 40 50

Время (сек.)

Рисунок 4. Временная характеристика теплового режима актюатора при работе в периодическом режиме

Исследование силовых характеристик. Проведены серии измерений силовых характеристик балок термомеханических актюаторов и экспериментально получены зависимости нагрузок, возникающих на хвостовике балки актюатора, от угла деформации этой балки. Подтверждены линейные формы зависимости возникаемых на балке усилий от её перемещения. Результаты показывают, что для исследуемых образцов максимальное значение нагрузки составило величину порядка 5 мН. С ростом толщины алюминия нагрузки на хвостовике при отклонении на заданный угол практически не меняются. Утонение кремния, входящего в структуру актюатора, обуславливает экспоненциальное уменьшение нагрузки относительно первоначального угла отклонения в 9 раз, что позволяет рассматривать данный процесс как один из способов регулирования нагрузки на балках термомеханических актюаторов.

Исследование влияния пониженного атмосферного давления. Проведены серии экспериментальных исследований, позволяющих установить влияние пониженного атмосферного давления на характеристики термомеханических актюаторов (рисунок 5).

Установлено, что основное влияние пониженное атмосферное давление оказывает в диапазоне от 40 до 0,5 Па, в котором наблюдается увеличение температуры на актюаторе на 24,8 %. Общее же увеличение температуры при задании давления в 10° Па составило 32,5 К (30,5 %). При понижении давления

наблюдается увеличение скорости нагрева и уменьшение скорости охлаждения структуры актюатора. Тем самым, термомеханический актюатор показал свою работоспособность при пониженном атмосферном давлении. Данная оценка особенно полезна и необходима при использовании термомеханического актюатора в условиях открытого космического пространства, когда влияние конвективной составляющей на процессы теплообмена в структуре минимально, либо отсутствует вовсе.

& 410

га

§; 405

& 400

V 395

| 390 х

а 385 г

— 410

га

>.

й 405-

ЗГ

| 400-

к

3 395-я

г 390

40 60 80 100 Давление (Па х 10")

) 80 100 Давление (Па)

Рисунок 5. Воздействие вакуума на температурные характеристики актюатора

Исследование надёжности. Проведена оценка влияния многоциклового изгиба на термодеформационные характеристики упруго-шарнирных балок термомеханических актюаторов показывающая, что угол термодеформации при нагревании термомеханического актюатора после усталостных циклических испытаний в течении 5x106 циклов снижается приблизительно на 17 %, а после 3,2х107 - приблизительно на 26%. Также эксперименты показали, что усилия, возникаемые на актюаторе снизились в 2 раза относительно первоначального угла отклонения после 14 миллионов циклов. Полученные данные говорят о предсказуемом и не критическом изменении характеристик актюатора во времени, что является положительным моментом и может быть учтено при разработке схемы его управления.

Сравнение экспериментальных результатов с эквивалентными результатами численной модели показало сходимость характеристики угол отклонения -максимальное перемещение хвостовика, а также динамики нагрева актюатора. Погрешность при расчёте показаний деформации термомеханического актюатора при работе от электрического напряжения - 10 %. Погрешность задания величины напряжения составила 15,2 %. Установлено, что поведение актюатора в условиях пониженного атмосферного давления при моделировании соответствует экспериментально полученным результатам, погрешность изменения температурных характеристик актюатора составила 6,2 %, силовых -6 %.

Полученные данные важны и необходимы для дальнейшего изучения термомеханических актюаторов, дают возможность создания их с заранее заданными характеристиками, позволяют расширить и более точно

представлять области их применения и подтверждают тот факт, что именно биморфный тип актюаторов с У-образными канавками обладает наибольшими значениями нагрузок среди известных аналогов. Проведённые испытания позволяют дополнить картину возможностей термомеханических актюаторов, акцентируя внимание на высокой стабильности характеристик подвижных балок.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана оригинальная конструкция термомеханического актюатора с У-образными канавками, заполненными полиимидом, с нагревателем, выполненным в кремниевой структуре, с максимальным развиваемым усилием 5 мН.

2. Разработана модель термомеханического актюатора, позволяющая установить его конструктивные параметры исходя из необходимых для конкретного применения характеристик.

3. Разработаны методики измерения термодеформационных, силовых, электрических и термодинамических характеристик термомеханических актюаторов, отличающиеся возможностью производить измерения объектов микроминиатюрных размеров с высокой точностью, определять температурный коэффициент линейного расширения полиимида, используемого в конструкции, а так же исследовать объекты в условиях пониженного атмосферного давления.

4. Разработан групповой метод ускоренных усталостных испытаний термомеханических актюаторов, позволяющий в короткие сроки определить примерное время наработки до отказа и влияние «старения» на характеристики актюаторов. Установлено, что время приработки актюатора составляет примерно 100 циклов работы в реальных условиях эксплуатации после его изготовления.

5. Разработаны предложения по оптимизации рабочего цикла термомеханических актюаторов, позволяющие, работая в уменьшенном диапазоне, увеличить частоту срабатывания в 5 раз (до 0,4 Гц), работая в периодическом режиме, расширить диапазон рабочих температур до 673 К и увеличить за счёт этого скорость работы в 2,5 раза при расширении диапазона перемещений в 1,4-1,7 раза.

6. Экспериментально подтверждена работоспособность термомеханических актюаторов в условиях пониженного атмосферного давления.

7. Показано, что термомеханические актюаторы выдерживают 32 и более миллионов циклов срабатывания при предсказуемом изменении характеристик.

8. Полученные результаты экспериментов свидетельствуют о возможности применения термомеханических актюаторов в системах, используемых в открытом космосе.

ТЕМА ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНА В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Влияние армирования полиимидного слоя одностенными углеродными нанотрубками на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых балок тепловых микроактюаторов / Д.В. Козлов [и др.] // Материаловедение. 2011. №9. С. 43-46.

2. Влияние условий формирования и толщины слоев на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых упруго-шарнирных балок тепловых актюаторов / Д.В. Козлов [и др.] // Микро-наносистемная техника. 2011. №2. С. 34-40.

3. Козлов Д.В., Жуков A.A., Смирнов И.П. Экспериментальное исследование силовых характеристик рабочего элемента тепловых микроактюаторов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 2011. №2. С. 84-94.

4. Оценка влияния многоциклового изгиба на термодеформационные характеристики упруго-шарнирных балок тепловых актюаторов / Д.В. Козлов [и др.] // Микро-наносистемная техника. 2010. №12. С. 22-25.

5. Козлов Д.В., Жуков A.A. Перспективы развития микроробототехнических устройств на основе микроприводов с напряжением управления (МПНУ) //Микротехнологии в авиации и космонавтике - 2009: Сборник тезисов докладов VII всероссийской научно-практической конференции. - М., 2009. С. 29-30.

6. Методика измерений деформационных характеристик микроактюаторов / Д.В. Козлов [и др.] // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий - 2009: Труды II всероссийской научно-технической конференции. - М., 2010. С. 228-233.

7. Козлов Д.В., Жуков A.A., Смирнов И.П. Методика измерения и оценки нагрузочных способностей балок тепловых актюаторов // Микротехнологии в космосе - 2010: Сборник тезисов докладов VIII всероссийской научно-технической конференции. - М., 2010. С. 30.

8. Козлов Д.В. Анализ методов исследования термомеханических актюаторов для систем микроперемещений // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий - 2011: Сборник тезисов докладов IV всероссийской научно-технической конференции. - М., 2011. С. 299-301.

9. Моделирование термомеханических актюаторов для систем микроперемещений / Д.В. Козлов [и др.] // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий - 2011: Сборник тезисов докладов IV всероссийской научно-технической конференции. - М., 2011. С. 306-307.

10. Система терморегулирования поверхности и бортовой аппаратуры малых космических аппаратов на основе конвейерных линий тепловых актюаторов /Д.В. Козлов [и др.] // Всероссийский фестиваль науки - 2011: Сборник материалов международного молодёжного форума «Дорога к звёздам». -Королёв, 2011. С. 9-10.

П.Козлов Д.В., Бойко А.О. Исследование динамических характеристик теплового микроэлектромеханического актюатора // Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы - 2012: Сборник трудов XIV молодёжной международной научно-технической конференции. - М., 2012. С. 214-217.

12. Исследование термодеформационных и электрических характеристик микроэлектромеханических актюаторов в условиях пониженного атмосферного давления / Д.В. Козлов [и др.] // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий — 2012: Сборник тезисов докладов V всероссийской научно—технической конференции. - М., 2012. С. 184-185.

Патенты и заявки на патенты:

1. Пат. 2448896 РФ, МГЖ2012 В81В 3/00, В81С 1/00, В81В 7/00. Тепловой микромеханический актюатор и способ его изготовления / Д.В. Козлов (RU), И.П. Смирнов (RU), A.A. Жуков (RU) и др.; ОАО «Российские космические системы» (RU). - Заяв. 25.03.2012; Опубл. 27.04.2012, Бюл. №12. - 20 с.

2. Заявление о выдаче патента РФ 2011109331. Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны /Д.В.Козлов (RU), A.A. Жуков (RU), И.П. Смирнов (RU) и др.; ОАО «Российские космические системы» (RU). — Заяв. 11.03.2011; Решение о выдаче патента 04.04.2012. - 19 с.

3. Заявление о выдаче патента РФ 2011142205. Микросхема с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок / Д.В. Козлов (RU), С.Д. Заводсков (RU), A.A. Жуков (RU); ОАО «Российские космические системы» (RU). - Заяв. 18.10.2011; Решение о выдаче патента 24.05.2012. - 14 с.

Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук Жукову Андрею Александровичу за оказанную всестороннюю помощь в научном консультировании при подготовке работы.

Подписано в печать 05.07.2012г.

Формат 60x90/16 Усл.п. л. - 1.0 Заказ №09725 Тираж: 100экз.

Типография «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 ВИДЫ КОНСТРУКЦИЙ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ АКТЮАТОРОВ

1.1 Обзор конструктивных вариантов актюаторов

1.1.1 Классификация актюаторов

1.1.2 Выводы по обзору конструкций и принципов действия актюаторов

1.2 Физические и технические ограничения известных технических решений актюаторов, а также методик по их исследованию

1.3 Известные области применения термомеханических актюаторов 38 Выводы по главе

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ

2.1 Аналитическое моделирование

2.2 Численное моделирование с использованием программных сред конечно-элементного анализа

2.2.1 Теоретические основы моделирования с использованием программных сред конечно-элементного анализа

2.2.2 Связанный расчёт «напряжение-температура-перемещение»: со свободным и с заневоленным хвостовиком

2.2.3 Моделирование деформации актюатора при изменении внешней температуры

2.2.4 Связанный расчёт «напряжение-температура» для моделирования ситуации нагрева в условиях, близких к условиям открытого космоса

2.2.5 Расчёт деформации при прямом воздействии на хвостовик

2.2.6 Параметрическое моделирование

Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ

3.1 Конструкция термомеханического актюатора

3.2 Обзор технологии изготовления термомеханического актюатора

3.3 Методы исследования термомеханических актюаторов

3.3.1 Анализ методов исследования термомеханических актюаторов

3.3.2 Метод исследования динамики угла отклонения подвижного хвостовика термомеханического актюатора

3.3.3 Метод определения значения TKJ1P полиимида, входящего в структуру термомеханических актюаторов

3.3.4 Метод исследования силовых характеристик термомеханических актюаторов

3.3.5 Метод ускоренных испытаний термомеханических актюаторов на циклическую нагрузку

3.3.6 Метод исследования тепловых характеристик актюаторов, в том числе в условиях пониженного атмосферного давления

3.4 Устройства на основе термомеханических актюаторов 136 Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ

4.1 Термодеформационные характеристики термомеханических актюаторов

4.2 Силовые характеристики термомеханических актюаторов

4.3 Динамические характеристики термомеханических актюаторов

4.4 Надежность термомеханических актюаторов

4.5 Сопоставление теоретических и экспериментальных данных

Актуальность. В настоящее время растёт интерес к микроминиатюрным электромеханическим преобразователям - устройствам микросистемной техники, что обусловлено значительными возможностями, позволяющими резко расширить те сферы применения, где необходимы небольшие масса и габариты при значительных функциональных возможностях - научное приборостроение, микроробототехника, телекоммуникационные системы, биомедицинские технологии, изделия космического применения и пр. Методы производства микроэлектромеханических систем, основанные на технологии микрообработки кремния, предлагают возможность изготовления дешёвых и миниатюрных устройств, сравнимых по функциональности с более крупными аналогами. Однако данная технология имеет большой недостаток в виде неприспособленности к изготовлению трёхмерных структур. Это препятствие пытаются преодолеть самыми различными способами. Один из них - метод использования дополнительного полиимидного слоя. Данное решение содержится в конструкции разрабатываемого термомеханического актюатора.

Большой вклад в разработку и исследование термомеханических актюаторов внесли шведские учёные Э. Кальвештен (Е. Ка1уез1еп) и Т. Эбефорс (Т. ЕЬеАогБ). В работе [1] была предложена типовая конструкция и технология изготовления термомеханического актюатора с У-образными канавками, заполненными полиимидом, а также несколько вариантов устройств на их основе. Кроме того, известны работы М. Гад-Эль-Хака, В. Рэтмюллера, Н. Тиена, М. Атака и других.

Однако материалы, представленные в данных работах, не обладают полнотой в части теоретического и экспериментального исследования характеристик актюаторов, а также не отражают поведение актюатора при воздействии дестабилизирующих факторов открытого космического пространства и при его временном «старении».

Термомехапические актюаторы способны выдерживать миллионы циклов срабатывания, не содержат механических, склонных к быстрому износу деталей, способны выдерживать жёсткие условия открытого космического пространства и обладают хорошим соотношением цена/качество благодаря возможности их группового изготовления. Разработка термомеханических актюаторов предложенного типа уникальна для РФ и требует подробного обзора существующих прототипов, моделирования и экспериментального исследования выходных характеристик актюатора, в том числе при воздействии внешних дестабилизирующих факторов.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи -разработке конструкции и исследованию функциональных возможностей термомеханических актюаторов для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства с целью их применения в высокотехнологичных изделиях микророботехники и систем управления.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка конструкции термомеханического актюатора и исследование его эксплуатационных характеристик, а также построение достоверной математической модели и проведение экспериментов, направленных на изучение влияния конструкционных параметров и внешних возмущающих воздействий на его работу.

В ходе работы над диссертацией решены следующие задачи:

- проведён обзор имеющихся конструкций актюаторов и выбран наиболее эффективный принцип действия;

- проведено моделирование поведения термомеханического актюатора при различных возмущающих воздействиях, а также влиянии конструкционных факторов на его характеристики, проведена оценка точность моделирования;

- выявлены и обоснованы основные параметры, влияющие на работу термомеханического актюатора, степень их влияния и возможные методы их исследования;

- разработаны методики и стенды по исследованию характеристик термомеханического актюатора, в том числе в условиях, близких к условиям открытого космического пространства;

- разработаны методики испытаний на циклическую нагрузку термомеханического актюатора в целях установления примерного времени до отказа изделия;

- проведены испытания актюаторов по разработанным методикам, направленные на установление влияния конструкционных параметров, а также внешних возмущающих воздействий на выходные характеристики термомеханических актюаторов.

Методология и методы исследования. Для анализа и исследования выходных характеристик термомеханических актюаторов применено моделирование с использованием САПР, основанной на методе конечно-элементного анализа. В ходе экспериментальных исследований применены оптический и гониометрический методы измерения деформации, пирометрический метод измерения температуры и акусто-резонансный метод измерения силовых характеристик. Для оценки эффективности актюатора используется введённый коэффициент деформации актюатора.

Научная новизна. В целях уменьшения размеров и увеличения функционала и надёжности существующих систем для микроперемещений разработан оригинальный конструктивно-технологический вариант термомеханического актюатора с У-образными канавками, отличающийся высоким ресурсом работы при эксплуатации в условиях открытого космического пространства. Данное конструктивное решение в сравнении с аналогами позволяет значительно упростить процесс изготовления и моделирования работы актюатора, при этом увеличив его надёжность за счёт уменьшения составных элементов конструкции и неразрывного соединительного полиимидного слоя сверху актюатора.

Также в работе рассмотрена и подтверждена экспериментально возможность применения активных термомеханических актюаторов в условиях, близких к условиям открытого космического пространства. Разработана модель перемещения термомеханического актюатора с периодической структурой, подвергаемой активному или пассивному тепловому воздействию, отличающаяся широкими возможностями задания внешних влияющих факторов. Разработана и внедрена серия новых методов исследования выходных характеристик термомеханического актюатора, отличающихся высокой точностью, универсальностью и широким кругом измеряемых эксплуатационных параметров, частично имитирующая ряд дестабилизирующих факторов открытого космического пространства. Проведено комплексное исследование выходных характеристик термомеханических актюаторов, позволившее определить степени влияния конструктивных факторов, а также внешних возмущающих воздействий.

Научные положения, выносимые на защиту:

- конструкция термомеханического актюатора обеспечивает управляемое перемещение подвижного элемента и усилия до 5 мН в условиях, близких к условиям открытого космического пространства на протяжении 32 и более миллионов циклов;

- разработанные методы по исследованию характеристик актюатора, обеспечивают: измерение величины деформации по углам отклонения до 180 градусов в диапазоне температур от 123 до 583 К с погрешностью 0,24 градуса; определение TKJIP полиимидного слоя в структуре актюатора с погрешностью 4,2 %; измерение нагрузочной способности актюаторов с погрешностью 2,3% в диапазоне от 0,1 мН до 2,15 Н; оценку влияния конвективной составляющей на характеристики актюатора, а также возможность судить о жизнеспособности актюаторов и стабильности их характеристик в процессе эксплуатации;

- разработанные аналитическая тепловая и численная электро-термо-механическая модели термомеханического актюатора позволяют установить конструктивные параметры работоспособного актюатора с известными выходными характеристиками;

- проведённые исследования характеристик актюаторов позволяют подтвердить положения об их высокой надёжности, функциональности и возможности его применения в условиях открытого космического пространства;

- предложенные режимы функционирования термомеханического актюатора обеспечивают увеличение его термодеформационных характеристик и частоты срабатывания.

Практическая значимость полученных результатов. Разработанные термомеханические актюаторы, методы и результаты их исследований, использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах и разработках ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), использованы в работах, выполненных по заказу Министерства образования и науки РФ, Роскосмоса и в рамках проектов РФФИ. Также на предприятии создана опытная партия образцов термомеханических актюаторов и разработаны РКД, РТД и ТУ на термомеханические актюаторы.

Разработанные методы, модели, а также режимы функционирования термомеханических актюаторов внедрены в производственные процессы центра проектирования и изготовления СБИС ОАО «Российские космические системы» и позволили изготавливать актюаторы с заданными, необходимыми для конкретного применения характеристиками и подтверждать их достоверность проведением испытаний.

Основной практической ценностью работы является возможность создания функционально законченных систем на основе термомеханических актюаторов, позволяющих при меньших размерах и большей надёжности решать аналогичные существующим системам задачи в условиях открытого космического пространства.

Результаты работы использованы в учебном процессе при создании лабораторного практикума на кафедре ИУ-4 «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались на следующих мероприятиях: VII и VIII научно-практических конференциях «Микротехнологии в авиации и космонавтике» (г. Москва, 2009, 2010 гг.); II и IV Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (г. Москва, 2009, 2011 гг.); III международной конференции с элементами научной школы для молодёжи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 2010 г.); международном форуме «Дорога к звёздам» (г. Королёв, 2011 г.); XIV молодёжной международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы - 2012» (г. Москва, 2012 г.); опубликованы в журналах «Микро- наносистемная техника» (г. Москва, 2010 г., №12, 2011 г., №2), «Материаловедение» (г. Москва, 2011 г., №9) и «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение» (г. Москва, 2011 г., №2).

Работа отмечена серебряной медалью XV Юбилейного международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012» и стипендией Президента РФ.

Публикации по теме диссертации. По материалам и основному содержанию работы опубликовано 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 10 публикаций в иных изданиях. Подано 3 заявки на изобретение, все заявки получили положительное решение о выдаче патента, выпущен 1 патент РФ. Результаты отражены в 5 отчётах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных в ОАО «Российские космические системы».

Объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 198 страницах, включая 105 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 60 наименований.

Выводы по главе 4

По разработанным методикам проведены исследования, направленные на изучение влияния внешних дестабилизирующих факторов и конструкционных параметров термомеханических актюаторов на их эксплуатационные характеристики как в статике, так и в динамике.

По результатам испытаний на многоцикловый изгиб балки актюатора выявлено, что время приработки после изготовления составляет примерно 100 рабочих циклов, после 32 миллионов циклов угол термодеформации снижается на 26 %, а после 14 миллионов усилие снижается в 2 раза. Полученные данные говорят о предсказуемом и не критическом изменении характеристик актюатора во времени и позволяют учесть их при разработке и программировании схемы управления.

Исследование термодеформационных характеристик показывает линейность зависимости при внешнем равномерном нагреве. Исследовано влияние толщины полиимидного слоя в актюаторе. Основное влияние при утонении полиимида снизу актюатора проявляется в уменьшении начального угла отклонения. При утонении сверху происходит резкое падение как начального угла, так и угла термодеформации. Это свидетельствует о необходимости защиты верхнего слоя актюатора от кислородной плазмы, присутствующей в космическом пространстве. Исследовано влияние толщины напылённого на актюатор слоя алюминия. Так, защитный слой алюминия толщиной до 0,1 мкм не сказывается на характеристиках, но его увеличение до 0,7 мкм приводит к снижению деформации и начального угла отклонения актюатора.

Проведено исследование влияния температуры на электрические характеристики кремниевых нагревательных элементов, результатом которого стал вывод о том, что режим работы актюатора следует определять граничной температурой в 500 К. При превышении заданной температуре наблюдается резкое снижение сопротивления кремния и перегрев актюатора, что приводит к разрушению полиимидного слоя. В связи с чем, разработано предложение по оптимизации рабочего цикла актюатора, что позволяет ему функционировать в диапазоне температур, близком к критическому для полиимида, что, в свою очередь, увеличивает термодеформационные характеристики и частоту срабатывания актюатора. Для оптимизации работы актюатора предложено использовать уменьшенный рабочий диапазон. Это позволяет увеличить скорость работы устройства в 5 раз при снижении угла отклонения не более, чем в 2 раза. Предложенный периодический режим увеличивает скорость работы ещё в 2,5 раза при расширении диапазона перемещений в 1,4-1,7 раз.

Исследование силовых характеристик позволило установить максимальное значение усилий на актюаторе, которое составило 5 мН или 0,5 грамма нагрузки. Также рассмотрено влияние толщины полиимида в канавке и напылённого слоя алюминия. Усилия снижаются при уменьшении толщины полиимида и практически неизменны при напылении алюминиевого слоя толщиной до 0,7 мкм.

Исследование работы актюатора при пониженном атмосферном давлении показало, что основное влияние оказывается в диапазоне от 40 до 0,5 Па. Общее же увеличение температуры при уменьшении давления до 10" Па составило

30,5 %. Также увеличились скорость нагрева и уменьшилась скорость охлаждения.

Сравнение экспериментально полученных и теоретических результатов показало высокую сходимость характеристики угол отклонения -максимальное перемещение хвостовика, а также динамики нагрева актюатора. Погрешность при расчёте деформации термомеханического актюатора при работе от электрического напряжения составила 10 %, погрешность расчёта силовых характеристик -6%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы проведён обзор различных конструктивных и технологических решений, принципов действия микромеханических актюаторов, рассмотрены основные ограничения существующих решений и методологий их исследования. Из известных выбран наиболее подходящий тип актюаторов по совокупности характеристик и возможности применения в условиях открытого космического пространства. Определено, что термомеханические актюаторы с У-образными канавками, выполненные в виде биморфной структуры из материалов с различающимися коэффициентами температурного расширения, обладают наибольшими усилиями и диапазоном перемещений и подходят для задач микроперемещений объектов в условиях открытого космического пространства.

Рассмотрены основные ограничения известных технических решений актюаторов и методологии их исследования. Выявлены основные недостатки и проблемы, встречающиеся при их разработке, проявляются они как в сфере моделирования прототипов, так и в сфере изготовления и исследования реальных образцов изделий.

Рассмотрены возможные варианты применения термомеханических актюаторов. Выявлены наиболее перспективные направления в развитии термомеханических актюаторов, среди которых: элементы конструкций датчиков, конвейерные линии для перемещения микроминиатюрных объектов, а также различные микроробототехнические устройства.

Разработана оригинальная конструкция термомеханического актюатора с У-образными канавками, заполненными полиимидом, с нагревателем, выполненным в кремниевой структуре. Определены наиболее подходящие материалы, используемые при изготовлении подобных актюаторов. Приведены основные технологические операции, применяемые на этапе изготовления термомеханического актюатора, в хронологическом порядке наглядно расписан процесс изготовления.

Проведён обзор и анализ методов исследования термомеханических актюаторов. Выбраны наиболее предпочтительные варианты, позволяющие с большой точностью, достоверностью и стабильностью проводить измерения и максимально продуктивно использовать эти результаты в научно-исследовательской деятельности.

Разработан и реализован метод измерения деформаций термомеханических актюаторов длиной (2-50) мм с частотой (0 - 30) Гц при воздействии температур от 123 до 583 К, основанный на применении гониометрического метода, обеспечивающий измерение величины деформации по углам отклонения до 180±0,05 градусов относительно базовой линии с погрешностью 0,24 градуса. На основе данной методики разработан метод экспериментального определения коэффициента деформации и ТКЛР полиимида, используемого в конструкции термомеханического актюатора, обеспечивающий высокую сходимость результата с реальными значениями.

Разработан и реализован метод измерения силовых характеристик балок термомеханических актюаторов, подвергнутых воздействию контролируемой нагрузки в диапазоне от 0,1 мН до 2,15 Н. Методика позволяет оценивать нагрузочную способность актюаторов с погрешностью 2,3%, что делает возможным более точное определение области применения устройств на основе термомеханических актюаторов.

Разработан групповой метод ускоренного усталостного испытания термомеханических актюаторов при заданной температуре и частоте, в сочетании с оценкой термодеформационных и силовых характеристик позволяющий в короткие сроки определить примерное время наработки до отказа и влияние «старения» на характеристики актюаторов. Метод дает возможность судить о жизнеспособности актюаторов и стабильности их характеристик в процессе эксплуатации.

Разработан и реализован метод исследования тепловых и электрических характеристик термомеханических актюаторов, в том числе в условиях пониженного атмосферного давления в диапазоне от 1 атм. до 10"'1 Па, основанный на бесконтактном и/или термопарном методе измерения температуры и использовании вакуумной камеры установки магнетронного напыления. Методика позволяет оценить влияние конвективной составляющей на теплообменные процессы и электрические характеристики в ходе работы актюатора, что особенно важно при использовании в условиях открытого космического пространства.

Предложен ряд разработок, в том числе для космического применения, основным элементом которых является термомеханический актюатор. Изготовлены экспериментальные образцы предложенных систем. Среди разработок: датчики положения и температуры, устройство защиты ИМС от электрических и/или тепловых перегрузок, системы терморегуляции поверхности и бортовой аппаратуры малых космических аппаратов, в том числе основанные на конвейерных линиях термомеханических актюаторов, система контроля колебаний балочных несущих конструкций технологических космических аппаратов, система управления малогабаритных антенн, а также микроробототехническое устройство с клеящим слоем на основе «сухого адгезива».

Проведён аналитический расчёт модели термомеханического актюатора. Результаты расчёта позволяют утверждать, что деформационные характеристики термомеханического актюатора зависят главным образом от значения температуры нагретой зоны, количества канавок и от характеристик деформируемого материала в канавках.

Построена численная компьютерная модель термомеханического актюатора в программном комплексе конечно-элементного анализа АпвуБ, позволяющая установить с высокой точностью его конструктивные параметры исходя из необходимых для конкретного применения характеристик.

Результаты проведенных расчётов модели подтвердили работоспособность термомеханического актюатора в условиях жёсткого температурного воздействия, в том числе и соответствующим условиям открытого космического пространства. Результатом параметрических расчётов стало определение влияний электрического напряжения, температурного и силового воздействия на выходные характеристики актюатора. Также с помощью полученной параметрической модели проанализировано влияние размеров актюатора, глубины залегания полиимида, количества канавок, содержащих полиимид, а также используемых материалов и других факторов на исследуемые характеристики (перемещение, нагрузки, температурное взаимодействие, внутренние напряжения в структуре) как в статике, так и в динамике. Установлена зависимость, определяющая степень влияния ТКЛР полиимидного слоя на работу термомеханического актюатора.

По разработанным методикам были проведены исследования, направленные на изучение влияния внешних дестабилизирующих факторов и конструкционных параметров термомеханических актюаторов на их силовые и термодеформационные характеристики как в статике, так и в динамике. Результаты проведённых экспериментов показывают следующее:

- установлена линейность деформационной и силовой характеристик актюатора;

- значение ТКЛР применённого полиимида соответствует 0,37-10"4 1 /град;

- установлено, что актюатор входит в установившийся режим примерно через 100 циклов изгиба после его изготовления;

- нанесение на актюатор защитного слоя алюминия толщиной до 0,1 мкм не сказывается на характеристиках термомеханического актюатора, увеличение толщины напылённого слоя до 0,7 мкм алюминия приводит к уменьшению первоначального угла отклонения в 2 раза;

- установленные значения мощности на актюаторах не превышают 1 Вт;

- максимальное значение нагрузки, развиваемой балкой термомеханического актюатора, составляет величину порядка 5 мН;

- с ростом толщины А1 нагрузки на хвостовике при отклонении на заданный угол практически не меняются;

- утонение полиимидного слоя снизу актюатор способствует экспоненциальному уменьшению нагрузки в 9 раз;

- установлено, что режим работы актюаторов следует определять граничной температурой в 500 К, разработано предложение по оптимизации рабочего цикла, позволяющего расширить диапазон температур до 673 К, что увеличивает деформационные характеристики и частоту срабатывания;

- установлены динамические характеристики срабатывания термомеханических актюаторов, частота работы составила 0,4 Гц при работе в уменьшенном рабочем диапазоне;

- предложен периодический режим работы актюатора, позволяющий увеличить скорость его работы в 2,5 раза при расширении диапазона перемещений в 1,4-1,7 раза;

- при испытаниях в условиях пониженного атмосферного давления установлено, что основное влияние оказывается в диапазоне от 40 до 0,5 Па, при этом общее увеличение максимальной температуры на актюаторе составило 30,5%, а изменение динамики температуры прослеживается в области остывания;

- при многоцикловом изгибе термомеханических актюаторов термодеформационные характеристики после 5 миллионов циклов ухудшаются не более чем на 17 %, а после 32 миллионов циклов не более чем на 26 %; силовые характеристики ухудшаются в 2 раза после 14 миллионов циклов срабатывания.

Полученные результаты экспериментов свидетельствуют о возможности применения термомеханических актюаторов в системах, используемых в открытом космосе и подтверждают тот факт, что именно термомеханический тип актюаторов с У-образными канавками обладает наибольшими значениями нагрузок и перемещений среди известных аналогов.

1.Ebefors Т. Polyimide V-groove joints for three-dimensional silicon transducers. - Стокгольм, Швеция: Royal 1.stitute of Technology, 2000. -143 c.

2. Досовицкий Г.А. Микроактюаторы //MICROMACHINE.NAROD.RU. URL: http://micromachine.narod.ru/index.html (дата обращения 01.05.2012).

3. Kim C-J., Pisano A., Muller R. Silicon-processed overhanging microgripper // IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems. 1992.

4. Prototype Microrobots for Micro Positioning in a Manufacturing Process and Micro Unmanned Vehicles / P. Kladitis и др. // Proc. of IEEE «12th Int. Conference on Micro Electro Mechanical Systems» (MEMS'99). Орландо, США. 1999.

5. Organic thermal and electrostatic ciliary microactuator array for object manipulation / J. Sun и др. // Sensors and Actuators A. 1997.

6. Smela E., Kallenbach M., Holdenried J. Electrochemically driven polypyrrole bilayers for moving and positioning bulk micromachined silicon // Journal of Microelectomechanical Systems. 1999.

7. Akiyama Т., Fujita H. A Quantiative Analysis of Scratch Drive Actuator Using Buckling Motion // Proc. of IEEE «8th Int. Workshop on Micro Electro Mechanical Systems» (MEMS'95). Амстердам, Нидерланды. 1995.

8. Evaluation of the Micro Wobbler Motor Fabricated by Concentric Buildup process / K. Nakamura и др. // Proc. of IEEE «8th Int. Workshop on Micro Electro Mechanical Systems» (MEMS'95). Амстердам, Нидерланды. 1995.

9. Performance of a 7-mm Microfabricated Car / A. Teshigahara и др. //IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems. 1995.

10. Stefanni C., Carroza M.C., Dario P. A Mobile Micro-robot Driven by a New Type of Electromagnetic Micromotor // Proc. of IEEE «7th International Symposium on Micro Machine and Human Science» (MHS'96). Нагоя, Япония. 1996.

11. Kim С.G., Pisano A. Silicon-processed overhanging microgripper // Microelectromechanical Systems 1992. №1. C. 6.

12. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004. - 528 с.

13. Tang W.C., Nguyen Т.С.Н., Howe R.T. Laterally driven polysilicon resonant microstructures // Sensors and Actuators. 1989. №20. C. 25-32.

14. Жуков С. О некоторых перспективах использования пьезокерамики. Актюаторы // KAZUS.RU. URL: http://kazus.ru/articles/368.html (дата обращения 01.05.2012).

15. Наноструктурированные сплавы системы TiNi-TiCu с эффектом памяти формы /А.В. Шеляков и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Том 74, №11. С. 1606-1608.

16. Riethmuller W., Benecke W. Thermally Excited Silicon Microactuators // IEEE Trans. Electron Devices. 1988. C. 758-763.

17. Yang Y., Kim C. Testing and characterization of a bistable snapping microactuator based on thermo-mechanical analysis // «Tech. Digest Transducers'95 and Eurosensors IX». Стокгольм, Щвеция. 1995. С. 337340.

18. Modeling and control of a 3-Degree-of-Freedom walking microrobot / Y.M. Chen и др. // «А Solid State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop». Хилтон-Хед-Айленд, США. 2006 г.

19. Пат. US6739132. Thermal microactuator based on selective electrical excitation / S.C. Bromley (US), B.J. Nelson (US), K. Vollmers (US) и др.; ADC Telecommunication (US). Опубл. 25.05.04. - 9 с.

20. Пат. US6698201. Cascaded bimorph rotary actuator / N. Sarkar (CA), A. Geisberger (US); Zyvex Corporation (US). Опубл. 02.03.04. - 11 с.

21. Досовицкий Г.А. Различные типы микроактюаторов. Тепловые актюары // NANOMETER.RU. URL: http://www.nanometer.ru/2010/09/30/mems218368.html (дата обращения 01.05.2012).

22. Kongying X., Yomgjum L. Indirectly heated micro-electrothermal actuator with a monolithically integrated displacement sensor // Microsystem Technologies. 2009. Том 15, №9. С. 1365-1371.

23. Досовицкий Г.А. Трение и износ // NANOMETER.RU. URL: http://www.nanometer.ru/2010/09/30/mems218368.html (дата обращения 01.05.2012).

24. Жуков А.А., А.С., Гринькин Е.А. Микросистемный биморфный привод устройств космической робототехники // Экстремальная робототехника:

25. Труды 19-й Всероссийской научно-технической конференции. Санкт-Петербург, 2008.

26. Дульнев Г.Н., Парфёнов В.Г., Сигалов A.B. Методы расчёта теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

27. Дульнев Г.Н., Потягайло АЛО. Нестационарный тепловой режим системы тел с внутренними источниками энергии // Тр. J1HTMO. Расчёт температурных полей твёрдых тел и систем / Ленинградский институт точной механики и оптики. 1976. №86. С. 13-28.

28. Дульнев Т.Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высшая школа, 1984. -247 с.

29. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Перевод с английского / Справочник. М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

30. Физико-механические характеристики композиционных слоистых материалов на основе полипиромеллитимида для термомеханических актюаторов / A.A. Жуков и др. // Перспективные материалы. Специальный выпуск (6), часть 2. 2008. №12. С. 239-241.

31. Югов В.П. Решение задач теплообмена. Руководство по курсу ANSYS в CAD-FEM. Германия, 2001. - 110 с.

32. Введение в ANSYS: прочностной и тепловой анализ: Учебное пособие / A.C. Шалумов и др. Ковров: КГТА, 2002. - 52 с.

33. Tsiakmakis К., Brufau J. Measuring Motion Parameters of Ionic Polymer-Metal Composites (IPMC) Actuators with a CCD camera // Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. Варшава, Польша, 2007. С. 1-6.

34. Пат. US7612304 В2. Load measuring mechanism / М. Kobayashi (JP), Т. Harikai (JP), M. Ikeshima (JP); Shinko Denshi Co. (JP). Опубл. 03.11.2009.-7 с.

35. Классификация весовых датчиков // SCALE.RU. URL: http://www.scale.ru/page/electronic-scales-classification-article.html (дата обращения 01.05.2012).

36. Характеристики электронных весов // GOLDVIBRA.RU. URL: http://www.goldvibra.ru/catalogsvod.htmI (дата обращения 01.05.2012).

37. ГОСТ Р 8.563-96. Методики выполнения измерений. М., 1996. 11 с.

38. Козлов Д.В., Жуков A.A., Смирнов И.П. Методика измерения и оценки нагрузочных способностей балок тепловых актюаторов //Микротехнологии в космосе 2010: Сборник тезисов докладов VIII всероссийской научно-технической конференции. -М., 2010. С. 30.

39. Козлов Д.В., Жуков A.A., Смирнов И.П. Экспериментальное исследование силовых характеристик рабочего элемента тепловых микроактюаторов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 2011. №2. С. 84-94.

40. Оценка влияния многоциклового изгиба на термодеформационные характеристики упруго-шарнирных балок тепловых актюаторов / Д.В. Козлов и др. // Микро-наносистемная техника. 2010. №12. С. 22-25.

41. Бонч-Бруевич B.JI., Калашников С.Г. Физика полупроводников. Издание 2-ое, переработанное и дополненное. М.: Наука, 1990. - 688 с.

42. Влияние армирования полиимидного слоя одностенными углеродными нанотрубками на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых балок тепловых микроактюаторов / Д.В. Козлов и др. // Материаловедение. 2011. №9. С. 43-46.