Views
9 months ago

radio_10_2012

Ком поненты

Ком поненты ми кросистемной техникп и устройства на их основе Актуаторы Н НЕЧАЕВА канд техн наук г Москва Д ктуатор или актюатор от англ исполнительное уст ройство микропривод или его актив ный элемен преобразующий электри ческую магнитную тепловую или хими ческую энергию в механическую что приводит к выполнению определённых действий например вращени или линейному перемещению Часть МСТ актуаторов копируют принцип действия и в какой то мере конструкцию своих старших братьев но такие устройства создаются в основном не для практического приме нения а для демонстрации достиже ний технологии Примером может слу жить паровой двигатель разработан ный фирмой Более перспективны для практического применения микро р бины и микронасосы конструкция которых показана на рис Они раз работаны в Массачусетском техноло гическом институге Размеры турбины относительно велики несколько мил лиметров но она отличается большой удельной энергоёмкостью на единицу массы в перспективе может достиг нугь кВт ч кп Оптический затвор разработан ный упомянрой ранее Фирмой состоит из трёх частей рис самого затвора боль шое колесо на Фотографии микродви гателя и трансмиссии Двигатель со стоит из двух расположенных перпен дикулярно друг к другу электростатиче ских ак аторов Каждый из них может шестерню только в одном на правлении Совмеотными усилиями они обеспечивают двунаправленное вращательное движение которое с по мощью маленькой шестерни передаёт ся на большую окантовывающую за твор Понятно что быстродействие та кого устройства невелико Обьём традиционного теплового двигателя рабочее тело которого пред ставляет собой хидкость или газ мож нодовести примернодо х х мкм но дальнейшее уменьшение размеров да ётся очень тяжело Зная это инженеры нидерландской компании предложили иной принцип ра боты в их версии двигатель твердо тельный и изготовлен из кристалличе ского кремния Его работа основана на пьезорезистивном эффекте Конст рукция показана на рис он состоит из трёх основных частей массивной пластины размерами х мкм и двух выс пающих балок длиной нм Первая из них рабочая шириной нм а вторая опорная шириной мкм Рис ля старта двигателя необходимо через балки ропустить постоянный ток немногим более мА после этого сво бодный конец пластины начинает дви гаться вверх и вниз что вызвано деформированием рабочей балки и изменением её сопротивления и темпе ра ры Когда она сжимается конец пластины переме ается вверх то на чинает разогреваться сильнее и её раз меры увеличиваются В результате пла стина смещается вниз балка увеличи вается в размерах и её темпера ра уменьшается Охлахдение снова вызы вает изменение размеров и цик по вторяется Экспериментальный обра зец двигателя работал на частоте около МГц Конструкция двигателя поз воляет использовать его и как датчик поскольку рабочая частота зависит от массы пластины В этом случае его питаот от источника тока а перемен ный сигнал снимают с рабочей балки Транспортёр состояч ий из массива микроскопических ресничек рис разработан в Вашинггонском универ ситете США Реснички упругие и в выключенном состоянии отогну ы Чтобы притянць их к основанию ис пользуются электростатические силы Каждый элемент может занимать толь ко два устойчивых положения верх нее и нижнее но вследствие их со вместного действия оказывается воз можным перемещение предметов по поверхности массива Если снабдить такими ак аторами нижнюю часть объ екта получится платформа которая смохет перемещать по гладкой поверх ности груз превышающий собственную массу в семь раз В Токийском университете для реа лизации транспортёра использовали совсем другой метод переме ление микрообъектов с помощью ре лируе мого потока воздуха Преимущество состоит в том что он бесконтактный и позволяет свести к минимуму вероят ность повреждения поверхности пере мещаемого объекта В таком транс портёре создан массив отверстий раз меры которых не превышают мкм С нижней стороны каждой из них уста новлена заглушка Элекгростатически ми силами её можно сдвигать в одну или дру ю сторону Поток воздца при этом направляется на перемещаемый объект под углом и сдувает его в нуж ном направлении Современные отруйные принтеры оперируют с каплями краски объёмом около пиколитра это шарик диамет ром около З мкм В одном кубическом миллиметре их можно разместить около десяти тысяч Капли чернил на бумаге показаны на рис Для того чтобы сформировать столь малый объ ём жидкости и управлять им требуется миниатюрная техника в чаотности эле менты МСТ Печатающая головка представляет собой массив из множе ства микроотверстий под которыми разме ены миниатюрные полости чернила да пос пают иэ основного резервуара картрима Сила поверхностного натяжения не даёт краске просто так выливаться через отверстия поскольку их диаметр слишком мал рис Поэтому её

необходимо выдавить принудительно и для этого существуют несколько спосо бов Компания в своих струйных принтерах применяет пьезоэлементы При подаче напряжения они деформи руются и толкают мембрану а она выталкивает краску через отверстие Более распространённый метод кото рый используют компании Сапоп и термо струйная печать В полостях с чернила ми размещены нагревательные эле менты которые очень быстро нагре вают чернила до темпера ры кипения и они выплёскиваются из полости Но струйная печать может применяться и в технологических целях например для изготовления Мст элементов или их монтажа Если применять не обычные чернила а растворы различных ве еств мохно печатать требуемые струк ры или проводить пайку мик роэлементов рис В т заложена технология цифро вой обработки света разработанная корпорацией Основа этой технологии новый тип формиро вателя изображения на основе МСТ элементов В г Ларри Хорнбек И изобрёл цифровое мультизеркальное устройство назван ное которое в отличие от микромеханиче ских деформируемых зеркальных уст ройств состояло из матрицы жёстких зеркал имеющих всего два устойчивых положения М матрица рис представляет собой массив микрозер кал число которых определяет разре шение проектора например для ра х решения их долхно быть более двух миллионов Каждое микро зеркало алюминиевая пластина раз мерами х мкм рис размещён ная на площадке которая закреплена на тонкой и гибкой полоске подвесе натянугом мехду опорами В двух дру гихуглах не занятыхопорами располо жены электроды которые электроста тическими силами притягивают один из краёв зеркала Таким образом оно мо жет наклоняться в одну или дру ю сто рону на угол примерно градусов В одном из этих крайних положений микрозеркало отражает падающий на него свет в сторону линзы и эатем на экран В другом положении оно на правляет световой поток в сторону на теплоотвод В первом случае на экране получается белая точка во втором чёрная из чёрных и белых точек форми руется изображение Для изменения яркости свет отмеряют механически мя чего каждое микрозеркало мигает с большой частотой В результате уда лось получить градации серого А мя получения цветного изображения применяют вращающиеся светофильт ры с несколькими разноцветными сек торами Поскольку всё познаётся в сравнении на рис показано остриё швейной иглы на фоне М матрицы В устройствах МСТ широко приме няют так называемый кантилевер англ кронштейн консоль ус тоявшееся название наиболее распро странённой конструкции микромехани ческого зонда в сканирующем атомно силовом микроскопе Кантилевер пред ставляет собой гИбкую пластину за креплённую с одной стороны На его основе компания разработала технологию хранения информации названную Принцип работы одной ячейки памяти поясняет рис В исходном со стоянии пластина кантилевера распо ложена над контактной пло адкой рис а Если между пластиной и контактной плоч адкой создать раз ность потенциалов пластина изогнётся и коснётся поверхности площадки рис б в результате чего электри ческое сопротивление между ними уменьшится практически до нуля Пос ле снятия напряжения пластина в ис ходное положение не возвращается рис в Так осуществляются запись информации и её хранение Для выпрямления пластины канти левера необходима дополнительная энергия поэтому мя стирания ин Формации достаточно над пластиной установить дополнительный электрод Если подать на него напряжение кон такт разомкнётся рис г Поэтому запоминающие устройства могуг выпускаться в дви вари антах с однократной записью и с пере записью Действующие прототипы бы ли созданы по мкм технологии но в дальнейшем планируется существен но уменьшить размеры ячейки Преи мущества нового типа памяти эконо мичность и возмохность работы при температуре С а число циклов перезаписи мохет достигать двадцати миллионов Компания продемонстрировала накопитель инФормации который обеспечивает плотность записи пре вышаюч ую Гбайт на см Это устроЙство назвали много нохка поскольку у него тысячи очень мелких кремниевых шипов которые могуг прошивать рисунок из отдель ных битов в тонкой полимерной плёнке Принцип работы напоминает почти забытые перФокарты Клрчевым элементом сл кит массив образных кремниевых кронштейнов на конце каждого из которых находится миниа тюрная игла Д анные записываются на носитель представляюц ий собой тон кий слой полимерного материала на кремниевой подлох ке Наконечник каждого кронштейна с разме ённой на нём иглой одновре менно служит зоной повышенного со противления При пропускании импуль са тока игла разогревается до темпера ры превышающей темпера ру плав ления полимера и выплавляет в нём воронку диаметром около нм Когда игла остывает полимер затвердевает Чтобы считать данные измеряют со противление наконечника Для этого его также разогревают но до меньшей темпера ры чтобы полимер не раз мягчался Поверхность носителя скани руют и при попадании иглы в воронку отвод тепла от неё возрастает темпе ра ра наконечника уменьшается а его сопротивление изменяется что и фик сируется как бит информации По заяв лению специ₠€йистов на сегодняш ний день им удалось достичь долговеч