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. Ка1 у.е.з1еп) 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 задачиразработке 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 градусаопределение 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 Ноценку 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 «Микронаносистемная 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 отклонениямаксимальное 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.
