Проектирование и технология радиоэлектронных средств (стр. 1 из 6)
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого
Институт Электронных и Информационных систем
Кафедра «Проектирование и технология радиоаппаратуры»
Реферат по учебной дисциплине
«Физические основы функциональной электроники»
по теме: «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»
2010
Содержание
Введение
1. Микроактюаторы
2. Законы пропорциональной миниатюризации
3. Критерии оценки микроактюаторов
4. Трение и износ
5. Различные типы микроактюаторов
6. Электростатические актюаторы
7. Магнитные актюаторы
8. Пьезоэлектрические актюаторы
9. Гидравлические актюаторы
10. Тепловые актюаторы
11. Изготовление МЭМС
12. Материалы для МЭМС
13. Технологии производства МЭМС
14. Применение МЭМС
Заключение
Список литературы
Введение
МикроЭлектроМеханические Системы или сокращенно МЭМС - это множество микроустройств самых разнообразных конструкций и назначения, производимых сходными методами с использованием модифицированных групповых технологических приемов микроэлектроники. Объединяет их два признака. Первый – это размер, второй – наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. В мире они известны под аббревиатурой MEMS – MicroElectroMechanical Systems.
Это могут быть:
· миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера;
· микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров;
· микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину;
· микророботы;
· микродатчики и исполнительные устройства.
Некоторые из них уже производятся в мире многомиллионными тиражами, другие только разрабатываются и проходят испытания. С микроситемами связывают тот технологический рывок, который человечество совершит в 21 веке, им предрекают совершить такой же переворот, который совершила в 20 веке микроэлектроника.
Микротехнологии развиваются на основе научно-технологического задела микроэлектроники. Вместе с тем, микроэлектромеханические системы призваны активно взаимодействовать с окружающей средой. Кроме того, конструкции систем обладают выраженной трехмерностью. От классических механических систем их отличает размер – материалы в таком масштабе ведут себя несколько иначе, чем в объемном виде, хотя микросистемы еще подчиняются законам классической физики, в отличие от наносистем. Тем не менее классическая физика предсказывает для микроустройств особенные свойства. Все это требует ряда совершенно новых подходов к проектированию, изготовлению и материалам МЭМС. Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, газо- и гидродинамики - порознь или одновременно появляющихся в изделии. Что касается материалов, то несмотря на то, что монокристаллический кремний - традиционный материал микроэлектроники - имеет ряд уникальных свойств, необходимы другие материалы с новыми сочетаниями электро-физико-механических свойств. Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последние по существу двумерны и механически статичны, то микросистемы - это реальные трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения. Эти новые свойства требуют развития новых технологических операций для 3-D формообразования.
Поскольку МЭМС развиваются на стыке множества отраслей науки и техники, требуется участие в работах специалистов самых разных областей знания, которые могли бы эффективно взаимодействовать. Координировать работу таких групп должны специалисты, которые владеют знаниями во всех основных предметных областях, имеющих отношение к созданию микросистем, а также владеют современной методикой реализации инновационной деятельности.
1. Микроактюаторы
Микроактюатор (составная часть МЭМС) - это устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянно возрастает. Они используются в робототехнике, в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине, дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.
Основные используемые методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах могут быть сведены к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток (т.е. много энергии), также на микроскопическом уровне при использовании электростатических методов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е. при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходной сигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количество электрической энергии, и главный их недостаток в том, что генерируемое тепло рассеивается. В настоящее время разрабатываются микроактюаторы, основанные на эффекте памяти формы, которые могут быть минитюаризированы до субмикронных размеров.
При изготовлении и эксплуатации МЭМС встречается масса особенностей и проблем, обуславливаемых малыми размерами – например проблема сухого трения, или опасность поломки из-за сил поверхностного натяжения. Поэтому проектирование микросистем черезвычайно важный процесс. Существует довольно много специальных программных средств, которые позволяют моделировать МЭМС устройства.
2. Законы пропорциональной миниатюризации
При изучении микросистем последствия пропорционального уменьшения размеров представляют особый интерес. То есть принимается, что все размеры и углы остаются в фиксированном соотношении друг с другом, а изменяется только масштаб длины, например, предположим изометрический масштаб. Механические процессы описываются соответствующими характеристическими числами, которые должны остаться постоянными, для того чтобы процессы остались такими же. Некоторые характеристические числа зависят от размера системы, а другие независимы от него. Здесь представлены только некоторые характеристические числа, которые особенно интересны для применения в микросистемах.
Число Коши (упругие колебания)
Число Коши [Формула 1 (Рис. 1)] определяет соотношение инерционных сил и сил упругости в твёрдом теле, оно характеризует движение или вибрацию.
Число Коши зависит только от квадрата длины L и частоты колебаний ω, а также от свойств материала (от плотности - ρ и модуля Юнга - Е).
При упругой вибрации, это, следовательно, подразумевает, что масштаб частоты колебаний обратно пропорционален длине.
Из этого следует, что механические микросистемы обладают очень высокими собственными частотами.
Хотя собственные частоты ограничивают рабочий диапазон, миниатюризированные системы проявляют значительно улучшенные динамические характеристики и более низкое время реакции.
Рис. 1
Число Вебера (инерция, поверхностное натяжение)
Число Вебера [Формула 2 (Рис.1)] определено, как соотношение инерционных сил и поверхностного натяжения. Где u- это скорость, ρ - плотность и σs - поверхностное натяжение, для воды значение σs = 0,073 Н/м. Для больших чисел Вебера инерционные силы играют главенствующую роль, в то время как для маленьких чисел Вебера силы поверхностного натяжения значительны. Число Вебера имеет значение при формировании волн на свободных поверхностях, для потоков жидкости в капиллярах и каналах, а также в формировании капелек. Число Вебера связывает силу поверхностного натяжения с объёмными силами. При небольших размерах силы, связанные с поверхностью, доминируют.
Число Фурье (переходный процесс при переносе тепла)
Число Фурье [Формула 3 (Рис.1)] указывает на соотношение между накопленной энергией и проведённой тепловой энергией. Оно определяет степень проникновения и распространения тепла в случае переходного процесса при переносе тепла через коэффициент теплопроводности λ, удельную теплоемкость cp и плотность ρ. Число Фурье обратно пропорционально квадрату длины L и прямо пропорционально времени. Для F0<1 тело имеет однородную температуру и переходной эффект не имеет значения. В микросистемах, тепловые актюаторы достаточно быстры для того, чтобы выполнить механическую функцию. Актюаторы макродиапазона слишком медленны из-за своей тепловой инерции.
Число Фруда (механика, конвекция, механика жидкости)
Число Фруда [Формула 4 (Рис.1)] имеет важное значение для всех динамических перемещений в гравитационном поле. Оно характеризует соотношение между инерционными силами и силами гравитации (вес) в зависимости от скорости υ, ускорения из-за силы тяжести g и масштаба длины L. При больших значениях числа Фруда эффектом силы тяжести пренебрегают, в то время как при малых значениях числа Фруда можно пренебрегать силами инерции. Так как число Фруда обратно пропорционально величине длины, эффект гравитации уменьшается при уменьшении размеров. Действительно маленькие животные и микроорганизмы используют более высокую частоту шага, чем люди или большие животные.