Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Корпухин Андрей Сергеевич
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИИМИД - КРЕМНИЕВЫХ МИКРОАКТЮАТОРОВ И УСТРОЙСТВ МИКРОМЕХАНИКИ НА ИХ ОСНОВЕ
Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Жуков Андрей Александрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела 910 государственного унитарного предприятия научно - производственного центра Спурт (г. Москва) Лаврищев Вадим Петрович доктор технических наук, профессор научно-учебного комплекса Информатика и системы управления ГОУ ВПО МГТУ имени Н.Э. Баумана (г. Москва), Школьников Владимир Михайлович
Ведущая организация:
Национальный исследовательский университет МИЭТ (Москва. Зеленоград)
Защита диссертации состоится л25 декабря 2012 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Национальном исследовательском университете МЭИ по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, корпус К, ауд. К-102 А.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ Автореферат разослан л________________2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.06 д.т.н., профессор Мирошникова И.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений микросистемной техники является создание тепловых микроактюаторов, которые по сравнению с электростатическими, электромагнитными, пьезоэлектрическими демонстрируют значительные усилия и перемещения. Технология тепловых микроактюаторов совместима с технологией интегральных схем, основана на приемах микрообработки, что обуславливает широкие возможности при изготовлении устройств микромеханики. Конструкция полиимид-кремниевых микроактюаторов (ПКМ) с V-образными канавками, состоящая из плоских параллельных кремниевых элементов, адгезионно связанных между собой слоем полиимида, и функционирующая на термомеханическом биморфном и шарнирном эффектах, является одной из наиболее привлекательных, из-за большего перемещения хвостовика микроактюатора по сравнению с аналогами и применяется для создания микророботов, перемещающихся по плоской поверхности, микроконвееров и регулирования микропотоков газа. Большой вклад в изучение проблем создания ПКМ с V-образными канавками внесли фундаментальные и прикладные работы ученых Королевского университета Стокгольма Э. Кельвестена и Т. Эбефорса. В Российской Федерации моделированию и разработке технологий изготовления полиимид - кремниевых микроактюаторов и устройств микромеханики на их основе посвящены работы НИУ МИЭТ (г. Зеленоград) (д.т.н., проф. С.П. Тимошенков).
Однако, несмотря на имеющиеся данные о конструкции и способах формирования ПКМ, систематические сведения о возможностях направленного регулирования и способах повышения стабильности термодеформационных характеристик, методах их измерения и возможностей применения в особо жестких условиях эксплуатации отсутствуют, что ограничивает сферы приложений ПКМ. Широкие возможности практического использования ПКМ для космических применений, связанных с уменьшением массогабаритных характеристик космических аппаратов до размеров микро-, нано- и пикоспутников, а также с требованиями применения космических микророботов, обусловливают важность тематики работы.
Таким образом, проведения систематических исследований по управлению характеристиками с помощью технологических методов, разработка методов получения ПКМ, обеспечивающих регулирование и замедляющих деградацию функциональных характеристик, а также методов измерения характеристик ПКМ и устройств микромеханики на их основе, в том числе для космических применений является актуальной научной задачей.
Цель работы. Разработка и исследование технологии, обеспечивающей регулирование и долговременную стабильность эксплуатационных характеристик полиимид -кремниевых микроактюаторов и устройств микромеханики на их основе.
Решаемые задачи:
1. Анализ известных подходов, конструкции, технологии и физикотехнологических ограничений при изготовлении полиимид - кремниевых микроактюаторов и устройств микросистемной техники на их основе.
2. Разработка методов измерения деформационно - прочностных и деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, основанных на исследованиях характера растяжения и многократных изгибающих воздействий ПКМ.
3. Разработка метода регулирования термодеформационных, силовых и деформационно-прочностных характеристик ПКМ параметрами технологических операций и варьированием толщиной функциональных слоев.
4. Разработка метода уменьшения деградации эксплуатационных характеристик ПКМ с использованием дублированных полиимидных слоев с инкорпированными углеродными нанотрубками (УНТ).
5. Разработка и обоснование конструкции и технологии устройств микросистемной техники на основе ПКМ с новыми функциональными характеристиками, в том числе и для космических применений.
Новизна и научная ценность работы.
Разработан метод регулирования термодеформационных, силовых и деформационно-прочностных характеристик ПКМ, отличающийся возможностью целенаправленного формирования требуемых значений диапазона их изменения.
Разработан метод уменьшения деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, отличающийся использованием дублированных полиимидных слоев с введенными нанотрубками, определена их предельная концентрация.
Разработаны методы измерения деформационно - прочностных и оценки деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, отличающиеся применением исследований характера растяжения и многократных изгибающих воздействий ПКМ.
Предложены и обоснованы конструкции полиимид - кремниевых микроактюаторов и устройств на их основе, отличающиеся использованием кремниевых трапецевидных элементов в качестве резисторов и дублированных полиимидных слоев с инкорпированными нанотрубками.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Конструкция полиимид - кремниевых микроактюаторов, отличающаяся использованием кремниевых трапецевидных элементов в качестве резисторов и дополнительного полиимидного слоя с инкорпированными нанотрубками.
2. Метод регулирования силовых, термодеформационных и деформационно-прочностных характеристик полиимид - кремниевых микроактюаторов, обеспечивающий возможность целенаправленного формирования требуемых значений диапазона их изменения.
3. Методы измерения деформационно - прочностных характеристик и оценки деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, основанные на применении механических усилий - растяжения и разрыва, а также многократных изгибающих воздействий к полиимид - кремниевой балочной структуре микроактюаторов.
4. Метод уменьшения деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, использующий применение в конструкции теплового микроактюатора полиимидного слоя с введенными нанотрубками заданной концентрации.
Практическая значимость и результаты внедрения.
Предложена усовершенствованная конструкция ПКМ, включающая слоистую термодеформируемую консольно-закрепленную балку, состоящую из двухслойной полиимидной пленки, адгезионно связывающей кремниевые трапециевидные элементы, модифицированные в местах контакта с полиимидной пленкой -аминопропилтриэтоксисиланом (АПТЭС).
Полимерный слой, прилегающий к кремниевым элементам армирован УНТ с концентрацией приблизительно 1,25 масс.%.
Представлена разработанная технология изготовления полиимид - кремниевых микроактюаторов, обеспечивающая изготовление устройств микромеханики на их основе, в том числе, характеризующаяся следующими параметрами:
- регулируемые характеристики ПКМ технологическими режимами операций (модифицирование кремниевой поверхности, температура имидизации полиимида, в дублированный полиимидный слой), а также варьированием геометрией функциональных слоев;
- снижение показателей деградации силовых характеристик в 2 раза, термодеформационных в 3 раза, деформационно-прочностных от 25 до 40 %.
за счет упрочнения полиимидного слоя введением в его состав УНТ с концентрацией приблизительно 1,25 масс. %.
Предложен метод измерения деформационно - прочностных и деградации эксплуатационных характеристик ПКМ.
Практическая значимость работы заключается в возможности создания на основе предложенных в работе методов и усовершенствованной структуры полиимидЦкремниевого микроактюатора устройств и систем, работоспособных в жестких условиях эксплуатации (диапазон температур от 77 К до 673 К, плазма и т. д.), близких к условиям дестабилизирующих факторов космического пространства.
Результаты исследований использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах ОАО Российская корпорация ракетнокосмического приборостроения и информационных систем, выполненных по заказам Российского фонда фундаментальных исследований, Роскосмоса и Министерства образования и науки Российской Федерации. Разработанные режимы технологических операций и методы измерений характеристик ПКМ использованы в учебном процессе и внедрены в ОАО Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем, что позволяет изготавливать устройства на основе полиимид - кремниевые тепловых микроактюаторов с заданными и регулируемыми эксплуатационными характеристиками с повышенной стабильностью. Практическая значимость результатов работы подтверждена заключениями об их использовании в ОАО Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем, МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского и Национальном Исследовательском Университетом Московский Энергетический Институт.
Обоснованность научных положений основывается на полученных экспериментальных результатах большого количества исследований влияния условий формирования на характеристики ПКМ с применением современных методов исследований.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на нижеперечисленных научно-технических конференциях (НТК):
- Девятнадцатая Всероссийская Научно-техническая конференция (НТК) с международным участием "Экстремальная робототехникаФ. 8-9 апреля 20года. Санкт-Петербург. ГН - Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК);
- Первая и вторая Всероссийские НТК Актуальные проблемы ракетно- космического приборостроения и информационных технологий, ФГУП РНИИ КП, Москва, 2008, 2009 гг.;
- Восьмая НТК Микротехнологии в космосе с международным участием. Федеральное космическое агентство. ОАО Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных технологий.
Москва, 6-7 октября 2010 г.
Публикации. По материалам и основному содержанию диссертации опубликованы 9 научных работ в научно-технических журналах и трудах конференций, из них пять - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Получены три патента на изобретение, результаты работ опубликованы в журналах Нано - и микросистемная техника №№ 7, 12/2010, № 2/2011 (в перечне ВАК), Материаловедение, № 9/2011 (в перечне ВАК) Перспективные материалы, специальный выпуск (6), часть 2, № 12, 2008 г (в перечне ВАК).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы, включающего наименований и приложения. Материалы диссертации изложены на 1страницах машинописного текста и содержит 54 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность решения поставленных в дис- сертации задач, сформулирована цель и задачи исследований, обоснована научная новизна, показана практическая значимость работы - возможность создания на основе предложенных в работе методов и усовершенствованной структуры ПКМ устройств и систем, работоспособных в жестких условиях эксплуатации, близких к условиям космического пространства.
В первой главе проведен анализ существующих типов микроактюаторов - устройств микросистемной техники, выполняющих работу за счет потребления и преобразования энергии, различающихся по конструкции подвижного элемента (балочные, мембранные, роторные, микрогребневые) или по способу активации движения этого элемента (электростатические, электромагнитные, тепловые и т.д.). Проведено сравнение производительности микроактюаторов, используемых для микроперемещений с различными принципами активации движения по развиваемым усилиям, скоростям перемещения подвижных элементов, по плотности потребляемой энергии. На основании проведенного анализа объектом исследований выбрана конструкция полиимид-кремниевых микроактюаторов с V-образными канавками.
Проанализирована технология зарубежных аналогов ПКМ с V-образными канавками и выявлены недостатки: большое количество операций, сложность и увеличенная трудоемкость, удорожающие и усложняющие техпроцесс и снижающие процент выхода годных изделий. Выявлено отсутствие данных о возможности управления характеристиками с помощью технологических операций, о деградации этих характеристик во времени, о применении устройств в жестких условиях эксплуатации (диапазон температур от 77 К до 673 К, плазма и т. д.), в том числе в условиях дестабилизирующих факторов космического пространства.
Выявлены конструктивные и физико-технологические ограничения при изготовлении ПКМ. К конструктивным относятся: использование в качестве нагревателя поликремниевых резисторов, а не самих кремниевых трапецевидных элементов, входящих в состав ПКМ, соотношение высоты кремниевых трапециевидных элементов к уровню заполнения полиимидного слоя в V- образных канавках, влияющих на силовые и термодеформационные характеристики (статический и динамический углы отклонения ПКМ.
Известная конструкция не позволяет изготавливать микроактюаторы с большим количеством канавок, так как каждая V-образная канавка после термоимидизации деформирует из-за усадки полиимида ПКМ, при этом микроактюатор лупрется в подложку, что не позволит устройству функционировать.
К физико-технологическим ограничениям относится следующее.
Характер затекания фотополиимида в вытравленные в кремнии регулярные параллельные канавки V-образной формы, и формирование полиимидного слоя без дефектов (воздушных пузырей и раковин) связан с энергетическим состоянием кремниевой профилированной поверхности, от предварительной обработки которой зависит качественное формирование полимерного несущего слоя и полиимидного шарнира в микроактюаторе. Потеря адгезии соединения полиимид - кремний при многоцикловом изгибе, что связано со способностью кремния быстро окисляться с образованием на поверхности слоя диоксида кремния, который имеет низкую адгезию с полиимидом. Недостаточные прочностные свойства полиимидной несущей пленки, приводящие к быстрой деградации полиимидного слоя при многоцикловом изгибе также являются ограничением при изготовлении ПКМ.
Таким образом, важность проведения систематических исследований по управлению характеристиками с помощью технологических способов, необходимости разработки методов, упрочняющих несущий слой полиимида и полиимид - кремниевое соединение в микроактюаторах, замедляющих деградацию характеристик, обусловливает актуальность выбранного направления исследований.
Во второй главе представлена конструкция ПКМ с V-образными канавками, выполненная на основе трапециевидных кремниевых элементов, адгезионно связанных между собой несущей полипиромеллитимидной (полиимидной) пленкой, обеспечивающей как биморфный термомеханический эффект в местах адгезионного контакта полиимид - кремний, так и упругошарнирный эффект в местах свободной пленки и отклоняющаяся после высвобождения из плоскости рамки на начальный угол 0 от своего исходного положения (рисунок 1), величина которого при комнатной температуре обычно варьировалась от 20 до 100 градусов.
а) б) в) Рисунок 1 - Схематическое изображение ПКМ, общий вид сверху в рамке (а); вид сверху и поперечное сечение в увеличенном масштабе (б); угол отклонения микроактюатора от плоскости рамки (в).
Разность фактического угла деформации ПКМ при соответствующей температуре и начального угла характеризуют эффективную термодеформацию и зависят, в основном, от термоупругих свойств полиимидной пленки, адгезионного контакта полиимид - кремний и от способов ее формирования.
Кратко изложены способы изготовления образцов ПКМ для исследований. Полиимидный слой у части образцов выполнен дублированным с полиимидным слоем, содержащим УНТ.
Представлено описание современных методов исследований характеристик ПКМ. Геометрические параметры функциональных слоев при варьируемой модификации поверхности кремния, исследовали методами оптической микроскопии с использованием микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss (Германия). Расположение УНТ в нижнем полиимидном слое двухслойной полимерной матрицы проводили на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss Nvision 40.
Измерение краевых равновесных углов смачивания полиамидокислоты при различных концентрациях УНТ в растворе на кремниевых пластинах с гладким и V-образным профилем, определение термодеформационных характеристик проводили гониометрическим методом на установке CAM101.
Исследование профилей поверхности полиимидных слоев с УНТ проводили методом атомно-силовой микроскопии, позволяющим оценить морфологию поверхности образцов по полученным характеристикам Ra и Rz на нанотвердомере НаноСкан-3D. Определение силовых характеристик при варьируемой геометрии кремниевых и полиимидных слоев, при многоцикловом изгибе, для различных концентрациях УНТ в полиимидном слое, проводили методом, основанном на применении цифровых прецизионных весов с точностью 0,3 мг.
Представлены новые методы, разработанные для измерения характеристик полиимид - кремниевых балочных микроактюаторов.
Деформационно-прочностные характеристики ПКМ в зависимости от армирования полиимидного несущего слоя одностенными УНТ и от варьирования модификации кремниевой поверхности измеряли методом, основанным на растяжении микроактюаторов, на разрывной машине фирмы INSTRON. Деградацию силовых и термодеформационных характеристик ПКМ измеряли новым методом изгибающих воздействий, основанном на многократных циклических нагрузках с заданной частотой (разработан совместно с Д.В. Козловым).
В третьей главе представлены результаты исследований характеристик ПКМ, выполненных при варьируемых условиях формирования, а также новые методы изготовления, обеспечивающие регулирования эксплуатационных характеристик и замедляющие их деградацию.
Исследования характера смачивания раствором полиамидокислоты без УНТ поверхности кремниевых пластин с различной предварительной обработкой и при введении многостенных УНТ варьируемой концентрации в растворе полиамидокислоты (ПАК) показали следующее. Вид предварительной модификации поверхности кремниевой пластины определяет характер смачивания и заполнение раствором ПАК V-образных канавок, вытравленных в кремниевых пластинах. Качественное, без дефектов (воздушных пузырей и раковин), заполнение канавок наблюдалось после стандартной химической обработки кремниевой поверхности или обработки АПТЭС (равновесные углы смачивания составляли около 350 и 340 соответственно). Устойчивое адгезионное соединение полиимида с кремнием наблюдалось после модификации кремния АПТЭС (отслаиваний не наблюдалось).
Измерения средних значений равновесных углов смачивания растворов ПАК в диметилформамиде (ДМФА) с варьируемым содержанием УНТ на гладких и профилированных кремниевых пластинах, подвергнутых химической обработке или модифицированной АПТЭС показали, что наиболее оптимальной концентрацией УНТ в ПАК, с точки зрения минимизации равновесных углов смачивания для попадания ПАК с УНТ в V-образные канавки до дна для поверхностей кремния при формировании микроактюаторов, можно считать концентрацию от 0,25% до 2,5% (рисунок б), а химическая обработка или обработка АПТЭС кремниевых пластин с Vобразным профилем одинаково уменьшает углы смачивания раствором ПАК в ДМФА на кремнии (рисунок 2 а). При этом, с точки зрения увеличения адгезии полиимида к кремнию целесообразно применять АПТЭС.
а) б) Рисунок 2 - Средние значения равновесных углов смачивания раствором ПАК (град) при варьируемых концентрациях (С) МУНТ для гладких (а) и профилированных (б) кремниевых пластин после химической обработки и обработки АПТЭС Исследования термодеформационных характеристик ПКМ при варьируемой модификации кремниевой поверхности, температуре имидизации полиимида и геометрии функциональных слоев показали следующее. Показана возможность управления деформационными напряжениями ПКМ в диапазоне от 0,5 до 5,5 градусов на канавку. Знак деформаций определяется видом предварительной модификации поверхности кремниевой пластины и заполнением полиимидом канавок V-образной формы, вытравленных анизотропным травлением в кремниевых пластинах. Показано, что начальный угол отклонения ПКМ (рисунок 3 (а, б)) при комнатной температуре и его изменение при охлаждении до 77 К пропорционально возрастают с повышением температуры имидизации в 1,8 и 1,4 раза соответственно, а изменение угла отклонения при нагревании до 423 К уменьшается приблизительно на 30%, что связано с эффектом отжига, уменьшающего деформацию балки, причем с повышением температуры имидизации выше 5К этот эффект проявляется наиболее резко.
Рисунок 3 - Влияние температуры имидизации несущего полиимидного слоя толщиной 35 мкм на термодеформационные характеристики - начальный угол отклонения при комнатной температуре (Тк) (1) и его изменения при нагревании (423) (2) и охлаждении (77) (3) Исследования термодеформационных характеристик при варьировании геометрии слоев ПКМ показали следующее. Напыление алюминия толщиной от 0,1 до 0,7 мкм магнетронным методом на полиимидный слой приводит, с увеличением толщины алюминия к возрастанию напряжений, изгибающих ПКМ, к росту линейных размеров образующихся в алюминии трещин, а также к резкому (практически в два раза) уменьшению начального угла отклонения при (Тк), при практически постоянном, но различном по абсолютным значениям, его изменении при нагревании до 423 К (в пределах 25-15 угловых градусов) и охлаждении до 77 К (в пределах 35-30 угловых градусов) (рисунок 4).
При толщине алюминия 0,7 мкм трещины не образуются, что свидетельствует о значительном влиянии увеличения упругости, жесткости алюминиевого слоя, препятствующего движению ПКМ. При этом изменяются термодеформационные характеристики - уменьшаются угол отклонения при комнатной температуре (Тк) ПКМ в 2,5 раза, а динамический на 15%.
Варьирование толщиной полиимида при его формировании методом центрифугирования (рисунок 5 (б)), для одинаковой глубины V-образных канавок, в ПКМ показало, что максимальный динамический угол отклонения при нагревании и охлаждении наблюдается при толщине ПИ слоя около 40+мкм для данных геометрических размеров образцов. При увеличении или уменьшении этого значения наблюдается ухудшение термодеформационных характеристик (динамического угла поворота).
а) б) Рисунок 4 - Термодеформационные характеристики ПКМ (а) при различной толщине Al слоя, напыленного на полиимид, начального угла отклонения (б) при комнатной температуре (Тк) и его изменение при нагревании (423) и охлаждении (77) Варьирование толщиной кремния при формировании V-образной профилированной поверхности на кремниевых подложках, увеличение глубины V - образных канавок при одинаковой толщине полиимида дает увеличение динамического угла поворота ПКМ (рисунок 5 (а)), причем увеличение толщины кремния в два раза (от 100 до 200 мкм) обеспечивает увеличение динамического угла в шесть раз.
а) б) Рисунок 5 - Средние значения термодеформационных характеристик ПКМ - динамического угла поворота при варьируемой глубине V - образных канавок (а) и при различной толщине полиимида в V - образных канавках (б) Варьировать толщиной полиимидных и кремниевых слоев можно не только при изготовлении ПКМ, но и с помощью плазмохимического травления (ПХТ) готовых изделий. В случае ПХТ кремниевых трапециевидных элементов в связи с уменьшением площади контакта адгезионного соединения полиимида с кремнием в нижней части V-образных канавок, а также с уменьшением их толщины и веса самой балки, наблюдается резкое увеличение начального угла отклонения ПКМ при комнатной температуре (Тк), при практически постоянном, хотя и различном по абсолютным значениям его изменения при нагревании до 423 К и охлаждении до 77 К. Утонение полиимида в ПКМ плазмохимическим травлением приводит к резкому уменьшению, как начального угла отклонения, так и изменения его абсолютной величины при нагревании (423) и охлаждении (77).
Таким образом, для ПКМ показана возможность направленного регулирования начального угла отклонения (приблизительно в 2 раза) за счет варьирования толщиной полиимида и/или кремния плазмохимическим травлением слоев.
Результаты исследований деформационно-прочностных характеристик при растяжении ПКМ в зависимости от армирования полиимидного слоя одностенными УНТ варьируемой концентрации контактирующего с кремнием и от модификации поверхности кремния перед формированием полиимидного слоя свидетельствуют о значительном влиянии этих двух параметров. При модификации магнетронным распылением металлов V-Ni и нанесением АПТЭC нагрузка, при которой происходит разрушение ПКМ и предельное удлинение образцов при растяжении существенно выше, чем в случае модификации напылением Al. Армирование полиимидного слоя, прилегающего к поверхности кремниевых элементов введением УНТ во всех случаях повышает деформационно-прочностные характеристики ПКМ, причем введение нанотрубок в количестве 1,25 масс.% оказывается наиболее эффективным. Рассмотрены особенности влияния армирования полимерной матрицы ПКМ дополнительным, контактирующим с кремниевой поверхностью, полиимидным слоем с УНТ концентрацией 1,25 масс. % на стабильность термодеформационных и силовых характеристик при многократных изгибающих воздействиях в заданном температурно-частотном режиме. Получено, что деградация термодеформационных характеристик после 21 миллиона циклов почти в три раза меньше и составляет около 8-9 %, по сравнению с образцами без дополнительного слоя, деградация которых составила 27,5 % уже после 13 миллионов циклов. Деградация силовых характеристик к 21 миллиону циклов достигает в среднем 18,5% для ПКМ с УНТ и заметно ухудшается, почти в 1,8 раз, без дополнительного слоя - около 32%.
Таким образом, на основании результатов экспериментальных исследований разработаны новые методы формирования полиимидкремниевых микроактюаторов.
1. Метод регулирования силовых, термодеформационных и деформационно-прочностных характеристик полиимид - кремниевых микроактюаторов, обеспечивающий возможность целенаправленного формирования требуемых значений диапазона их изменения.
2. Метод уменьшения деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, использующий применение в конструкции теплового микроактюатора дублированного полиимидного слоя с введенными нанотрубками с концентрацией приблизительно 1,25 масс.%.
По результатам исследований разработан технологический процесс, обеспечивающий регулирование характеристик ПКМ, с улучшенными эксплуатационными параметрами. В главе приводится сравнительная таблица показателей технического уровня объекта разработки и зарубежного аналога.
Таблица - Показатели технического уровня ПКМ и зарубежного аналога Зарубежный аналог - Dynamic Actuation of Коэффициент Объект Polyimide V-grooves эффекНаименование разработки Joints by Electrical тивности показателей heating. 1998. T. Ebefors, et al. (Швеция) Значения показателей Стоимость, руб.* - подложки, 1000,0 (КДБ 4600,0 (кремний на 4, 7,5) изоляторе - SOI) - лака 14500,0 (лак 150000,0 (фотополиимид 10,АД9103) HD4110) Количество 2 6 3,фотолитографий Возможность регулирования Да Нет --- характеристик Диапазон рабочих 77 - 673 293 - 673 --- температур, К Термодеформационные характеристики, угл. до 110 до 30 3,град.
Количество циклов, шт.
37000 000 30 000 0Общее // // // 1,Без изменения 21 000 000 4 500 0характеристик Примечание:*- оценка стоимости на 2012 год согласно коммерческих предложений ОАО Институт пластмасс, HD MicroSystems, ЗАО ТелекомСТВ Четвертая глава посвящена внедрению новых методов изготовления ПКМ, представлены конструкции и разработанные технологические процессы двух устройств микромеханики - микроструктурной системы терморегуляции (МСТ) поверхности для малых космических аппаратов (КА) и устройство управления плоской поверхностью для антенны или зеркала.
Микроструктурная система терморегуляции поверхности малого КА предназначена для изменения излучающей способности поверхности за счет тепловой защиты, обеспечиваемой экранами, выполненными на основе тепловых микроактюаторов. При нагреве или охлаждении экраны - тепловые микроактюаторы одновременно, начиная движение вверх или вниз, обеспечивают открывание или закрывание поверхности, расположенной под ними. Схематическое изображение работы МСТ при изменении температуры и фотография образца МСТ на основе двух ПКМ со светоотражающим покрытием, представлено на рисунке 7. Устанавливается МСТ над исследуемой поверхностью с зазором, с помощью полимерного композиционного материала, имеющего низкую теплопроводность, а также дополнительно включает систему стока заряда.
а) б) Рисунок 6 - Схематическое изображение работы МСТ при изменении температуры (а) и фотография образца МСТ (б) Представлен технологический процесс и протоколы испытаний МСТ на автоматизированном стенде УВ-1/2, предназначенном для исследования объектов при комплексном воздействии факторов космического пространства образцов МСТ, выполненных с различными оптическими покрытиями при воздействии источника излучения - имитатора электромагнитного излучения Солнца с интенсивностью 1 эквивалент солнца в условиях вакуума. Результаты испытаний образцов МСТ (рисунок 7) показали, что применение светоотражающего покрытия и улучшенной тепловой развязки уменьшает нагрева поверхности примерно на 45%, а применение светопоглощающего покрытия наоборот, увеличивает температуру поверхности на 9%, что дает возможность управлять температурой поверхности с целью получения заданных тепловых характеристик. Система функционирует в широком диапазоне температур от 77 К до 673 К и характеризуется устойчивостью к циклическим нагрузкам. Коэффициент заполнения МСТ составляет 60-70%, коэффициент отражения 50-60 %.
Рисунок 7 - Результаты испытаний образцов МСТ на стенде Представлена конструкция устройства управления поверхностью (рисунок 8 (а)) технологический процесс, изготовленные образцы (рисунок (б)), и результаты испытаний этого устройства.
а) б) Рисунок 8 - Общий вид микросистемного устройства управления поверхностью и варианты платформ системы управления на основе СВЧ - материала Rogers UltraLam 1217 и стеклотекстолита (б) Принцип работы устройства управления поверхностью заключается в следующем. Перемещение поверхности осуществляют три тепловых подвижных микроактюатора (1), зафиксированных жестко нижним концом в точках крепления (9) на основании, преобразующие приложенную к ним энергию в управляемое движение. На конце микроактюаторов, находящиеся на равноудаленном расстоянии от центра масс (11) основания (3), расположенного на плоской поверхности (6) устройства, выполнены подвижные хвостовики (4), к которым с помощью гибких соединительных элементов (5), жестко прикреплена управляемая поверхность (2). Гибкие соединительные элементы, выполненные в виде полиимидной V-образной прямоугольной связки, расположены симметрично относительно центра масс (8) управляемой поверхности и равноудалены относительно точек крепления. Нагрев ПКМ обеспечивается подачей напряжения от источника питания через блок управления перемещением. В основании (11) имеется отверстие под кабель (7). Блок управления в соответствии с заданной программой подат напряжение на соответствующие микроактюаторы, вызывая их перемещение и, как следствие, отклонение поверхности. При этом можно изменять как азимутальный, так и зенитный угол.
Устройство с минимальными массогабаритными характеристиками обеспечивает до 37 миллионов циклов срабатывания. В нем отсутствуют механические узлы, подверженные трению. Устройство обеспечивает перемещение управляемой поверхности в широких угловых пределах (по каждой из осей не менее 10 градусов), может функционировать в условиях, близких к условиям космического пространства ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Разработаны новые методы получения полиимид - кремниевых микроактюаторов и устройств микромеханики, обеспечивающие улучшенные эксплуатационные характеристики и основные показатели технологического процесса, исследованы характеристики микроактюаторов и устройств.
Предложена и обоснована конструкция полиимид - кремниевых микроактюаторов, отличающаяся использованием кремниевых трапецевидных элементов в качестве резисторов и дополнительного полиимидного слоя с инкорпированными углеродными нанотрубками.
Разработаны методы измерения характеристик ПКМ:
- деформационно - прочностных характеристик ПКМ (основан на применении испытаний на растяжение для микроактюаторов), - деградации эксплуатационных характеристик ПКМ (отличающийся применением многократных изгибающих воздействий к полиимид - кремниевой структуре микроактюаторов).
Разработаны методы получения ПКМ, обеспечивающие направленное регулирование термодеформационных, силовых и деформационнопрочностных характеристик ПКМ, отличающиеся возможностью целенаправленного формирования требуемых значений диапазона их изменения параметрами технологических операций (модификация поверхности кремния, температура имидизация полиимидных слоев, плазмохимическое травление) и варьированием геометрии функциональных слоев при формировании микроактюаторов.
Разработан метод снижения деградации эксплуатационных характеристик ПКМ, отличающийся использованием дублированных полиимидных слоев, один из которых армирован введенными нанотрубками.
Экспериментально исследованы характеристики ПКМ, полученные вышеуказанными методами, показано, что введение нанотрубок с предельной концентрацией 1,25 масс.% в полимерную матрицу повышает деформационно - прочностные характеристики микроактюаторов по приблизительной оценке от 25% до 40%, обеспечивает снижение деградации термодеформационных характеристик в 3, а силовых в 2 раза из-за упрочнения полиимидного слоя и увеличения усталостной прочности ПКМ.
На основе проведенных экспериментальных исследований характеристик ПКМ и методов их получения разработана технология, обеспечивающая направленное регулирование и улучшение эксплуатационных характеристики ПКМ с помощью технологических приемов.
Предложены конструкции и технологии устройств микромеханики на основе ПКМ - микроструктурная систем терморегуляции поверхности для малого космического аппарата и устройство управления поверхностью для перемещения миниатюрной антенны или зеркала, способных работать в жестких условиях эксплуатации (диапазон температур от 77 К до 443 К, атомарный кислород и т. д).
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. А.С. Корпухин, А.А. Жуков, Е.А. Гринькин. Микросистемный биморфный привод устройств космической робототехники. Труды 19-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Экстремальная робототехникаФ/ 8-9 апреля 2008 года. Санкт-Петербург. ГН - Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК). С. 126-127.
2. А.С. Корпухин, А.А. Жуков, А.С. Селиванов. Выбор технологических процессов изготовления актюаторов для микросистем с адаптивно изменяемыми оптическими характеристиками. Труды Всероссийской НТК Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий/ Под ред. Ю.М. Урличича, А.А. Романова Изд-во Физматлит. М., 2008. 376 с. С.352-356.
3. А.С. Корпухин, А.А. Жуков, П.Г. Бабаевский, В.А. Киевский.
Физико-механические характеристики композиционных слоистых материалов на основе полипиромеллитимида для термомеханических актюаторов.
Перспективные материалы. Специальный выпуск (6), часть 2, № 12, 2008.
С.239-241 (в перечне ВАК).
4. А.С. Корпухин, А.А. Жуков, Д.В. Козлов, И.П. Смирнов. Методика измерений деформационных характеристик микроактюаторов. Труды Второй ВНТК Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий, посвященной 100-летию со дня рождения М.С.
Рязанского. 2-4 июня 2009 г./ Под ред. Ю.М. Урличича, А.А. Романова М., Радиотехника, 2010 г. 272. С. 230-234.
5. П.Г. Бабаевский, А.А. Жуков, А.С. Корпухин, Г.М. Резниченко.
Деформационно-прочностные свойства модифицированных полиимид- кремниевых упруго-шарнирных микроструктур. Нано - и микросистемная техника. № 7. 2010. С. 15-18 (в перечне ВАК).
6. А.С. Корпухин, А.А. Жуков, Д.В. Козлов, И.П. Смирнов, А.Г.
Сухоруков, П.Г. Бабаевский. Оценка влияния многоциклового изгиба на термодеформационные характеристики упруго-шарнирных балок тепловых микроактюаторов. Нано - и микросистемная техника. N 12. 2010. С. 22-25 (в перечне ВАК).
7. А.С. Корпухин П.Г. Бабаевский А.А. Жуков, И.М. Тигашова.
Влияние модификации поверхности кремния при формировании полиимидкремниевых одноконсольных балок тепловых актюаторов. Сборник тезисов докладов VIII научно-технической конференции Микротехнологии в космосе с международным участием. Федеральное космическое агентство. ОАО Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных технологий. 6-7 октября 2010 г. М., 2010 г. 46 с. С.33-34.
8. А.С. Корпухин, Д.В. Козлов, И.П. Смирнов, А.А. Жуков, П.Г.
Бабаевский. Влияние условий формирования и толщины слоев на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых упругошарнирных балок тепловых актюаторов. Нано - и микросистемная техника. № 2. 2011. С. 34-40 (в перечне ВАК).
9. А.С. Корпухин, Д.В. Козлов, И.П. Смирнов, А.А. Жуков, И.И.
Пошехонцев. Влияние армирования полиимидного слоя одностенными углеродными нанотрубками на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых балок тепловых микроактюаторов. Материаловедение.
№ 9. 2011 С. 43-46. (в перечне ВАК).
10. А.С. Корпухин, А.А. Жуков, И.П. Смирнов, Д.В. Козлов, П.Г.
Бабаевский. Патент на изобретение № 2448896 от 25.03.2010 Тепловой микромеханический актюатор и способ его изготовления.
11. А.С. Корпухин, Д.В. Козлов, А.А. Жуков, И.П. Смирнов. Патент на изобретение № 2456720 от 11.03.2011 г. Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны.
12. А.С. Корпухин, А.С. Селиванов, А.А. Жуков, А.С. Дмитриев, Ю.М.
Урличич. Патент на изобретение № 2465181 от 27.10.2012 г.
Микроструктурная система терморегулирования КА.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям