Характеристики микромеханических реле на основе тонких слоистых исполнительных элементов
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ектрод,4 - неподвижный электрод,S - площадь перекрытия обкладок подвижного и неподвижного электродов.
Рис. 1.4. - Конструктивная схема подвижного узла РМП [1].
Чувствительные элементы изготавливаются из различных материалов в зависимости от функционального назначения микроустройства: по объемной технологии - из полупроводников или диэлектриков [1-4], по многоуровневой поверхностной технологии - из диэлектрических и/или металличеких микро- и нанотолщинных пленок [2,4].
Исполнительные элементы микроприборов, таких как ВЧ переключатель, акселерометр, датчик давления, изготавливаются на основе гальванических пленок металлов (в том числе золота, меди и никеля), что позволяет упростить и удешевить технологию изготовления конструктивных элементов микромеханических устройств с требуемыми свойствами [2-4].
Характеристики исполнительных элементов зависят от конструктивной схемы, которая выбирается исходя из функционального назначения микроустройства, и технологии изготовления [1-4].
Рис. 1.5. Принципиальные схемы осевых ЧЭ [1] электроуправляемых микроустройств: а), б) ЧЭ с крестообразным подвесом; в),г) ЧЭ с z-образным косо-симметричным подвесом; д) ЧЭ с симметричным подвесом; е) ЧЭ с параллельным подвесом. 1 - ИМ; 2 - упругий элемент; 3 - опорная рамка [1].
Типовую схему ЧЭ можно оптимизировать в соотвествии с поставленной задачей с помощью упругих подвесов, которые бывают трех типов [2]:
Рис. 1.6.Варианты креплений подвесных исполнительных элементов УМСТ для получения низких коээфициентов упругости системы.
ЧЭ на рис.1.5 а), б) имеют две пары упругих элементов, расположенных крестообразно вдоль осей х,z. Конструктивный вариант б) может быть изготволен с меньшей жесткостью подвеса в направлении оси y. Ось чувствительности ЧЭ на рис 1.5 а), б) совпадают с осью y (начало координат на всех рисунках 1.5. находится в геометрическом центре пластин) [1].
Схема рис.1.5 а) реализуется в микрореле, проектируемом в ОАО Российские Космические Системы
Рис. 1.7 - Исполнительный элемент с крестообразным подвесом на упругих пружинах.
ЧЭ на рис.1.5 в),г),д) имеют по две пары упругих элементов, параллельных одной из осей: x или z. Эти подвесы могут быть названы z-образными и между ними есть разница, определяемая местом соединения упругого элемента с пластиной ИМ. Оси чувствительности конструкций на рис. в),г),д) совпадают с осью y. Причем, подбирая геометрические размеры упругих элементов, ЧЭ можно спроектировать таким образом, что ИМ будет чувствительна к любой из осей (особенно это относится к схеме д) [1].
Модифицированная схема д) реализуется в микроэлектромеханических переключателях Теравикта - одного из ведущих производителей МЭМС.
Рис. 1.8 - Схема исполнительного элемента с симметричным подвесом СВЧ-микрореле Теравикта [I] .
Компания Теравикта анонсировала выход самого быстрого в мире MЭМС-коммутатора [а], работающего на частоте до 26,5 ГГц.
Исполнительный элемент по схеме (рис 1.5-е) может иметь ось чувствительности, совпадающую с осью y или x.
Схема реализуется в микромеханическом реле компании Нортроп Грумман Корпарэйшн (Northrop Grumman Corporation, Los Angeles, CA).
Рис 1.9 - Исполнительный элемент с параллельным подвесом на пружинных упругих элементах от Нортроп Грумман Корпарэйшн [II].
Исполнительные элементы на рис.1.5 действуют по тому же принципу, что и рассмотренные выше консоли (рис. 1.1) и мембраны (рис. 1.3).
Уравнение движения ИМ (прогиба) при условии, что центра масс и геометрический центр пластины совпадают, а также совпадают направление действующего ускорения с одной из координатных осей, например с осью y, имеет вид [1]:
my + byy + Gyy = may, (1.3),
где m - масса ИМ; by - коэффициент демпфирования вдоль оси y; Gy - суммарная жесткость подвеса в направлении оси y; ay - действующее ускорение.
В установившемся режиме (y=y=0)
y = may/ Gy (1.4),
Расчет смещения исполнительных элементов разной конструкции подробно рассмотрен в [4,6,7,8].
Таким образом, чувствительность исполнительного элемента зависит от конструкции ЧЭ и ряда параметров: y, y, by, Gy, m.
На рабочие характеристики исполнительных элементов УМСТ влияют: величина зазора между ЧЭ и нижним электродом; напряжение срабатывания; коэффициент демпфирования; инерционная масса; жесткость упругого элемента. Первые три из них в значительной степени зависят от типа конструкции, оставшиеся два - инерционная масса и жесткость упругих элементов зависит от технологии изготовления.
ЧЭ для электроуправляемых УМСТ делают по многоуровневой поверхностной технологии на основе гальванических пленок металлов [3,7]. В зависимости от режимов формирования можно получать исполнительные элементы с различными механическими и электрофизическими характеристиками [5-7,10,13]. Масса и жесткость упругих подвессов может регулироваться временем гальванического осаждения.
В настоящей работе рассматриваются чувствительные элементы типовой конструкции (см рис. 1.7) для коммутационных микроустройств с ЧЭ, изготовленными на основе гальванических пленок золота [12] и никеля [13]. Режимы гальванического осаждения, обеспечивающие требуемые физико-механические свойства определены в [19,20].
Выбор адекватных режимов формирования исполнительных элементов - нетривиальная задача, обусловленная функциональным назначением микроустройства. Например, конструктивные о