Физические принципы движителей для микророботов

При движении микрообъектов действуют принципиально иные соотношения

между силами и моментами. Массы миниатюрных микрообъектов малы, а силы сухого и

вязкого трения, поверхностного натяжения и адгезии велики в сравнении с силами

тяжести. Как указано в [1] п. 2.2. «в связи с миниатюрностью подвижных микрообъектов

методы их передвижения и движетели существенно отличаются от традиционных при

числах Рейнольдса порядка 10

-3

-10

-4

теряет смысл концепция двигателей, основанных на

использовании фактора инертности, таких как винты, пропеллеры, весла, реактивные

двигатели

и

обсуждение

программ

разработки

и

создания

микровинтовых

или

микрореактивных двигателей для самопродвижний микробъектов при таких малых числах

Рейнольдса настолько же абсурдно, как и колебания корпуса реактивного лайнера с целью

использования

вязкого

трения,

которое

составляет

миллиардную

долю

фактора

инерционности при полете лайнера». Поэтому при выборе движителя для микрообъекта

определяющими характеристиками являются не только усилия и перемещения, но и

частотные характеристики.

Существует большое количество физических систем преобразующих внешнюю и

запасенную энергию в механическое движение. В зависимости от энергопотребления,

быстродействия,

видов

и

точности

отработки

движений

применяются

разные

микромеханические преобразователи, актюаторные элементы систем.

Микромеханические преобразователи по типу преобразования внешней или

запасенной энергии в мехеническое движение можно условно разделить на две группы:

-

непосредственного

преобразования

внешней

или

запасенной

энергии

в

механическое движение

-

многоступенчатого

преобразования

внешней

или

запасенной

энергии

в

механическое движение.

Актюаторы

непосредственного

преобразования

энергии

достаточно

широко

применяются в микромеханических системах, к ним относят: электростатические,

термомеханические,

магнитостатические,

пьезоэлектрические,

пневматические,

химические.

Наиболее часто встречающимся актюатором многоступенчатого преобразования

является

актюатор

со

следующей

последовательностью

преобразования

энергии:

электрическая – тепловая – механическая. К этому типу преобразования относят

актюаторы:

- на основе биметаллических конструкций;

- на основе эффекта памяти формы;

- а на основе теплового фазового перехода.

Основными характеристиками определяющими вид преобразователя при создании

актюаторов

для

микророботов

являются

КПД,

быстродействие,

развиваемые

максимальные усилия и перемещение. В таблице 1 представлены основные параметры

микромеханических преобразователей. Более подробно рассмотрим лишь наиболее

перспективные из них: электростатические, пьезоэлектрические, магнитоэлектрические,

термоэлектрические.

Таблица №1 Характеристики микромеханических преобразователей [2]

Тип актюатора

Разрешение

(минимальные

относительные

деформации),

ε

min

Частотный

диапазон

работы

f

max

, Гц

Максимальная

плотность

рассеиваемой

мощности

p

max

,

Вт

/

м

2

КПД

η

Пьезоэлектрический

10

-9

–10

-7

5х10

5

– 3х10

7

1х10

8

– 1х10

9

0.90 – 0.99

Пьезоэлектрические

полимеры

10

-8

–10

-7

1х10

5

– 1х10

7

≈ 3х10

8

0.90 – 0.95

Термомеханические (

∆ T

=

10 K

)

10

-5

–10

-4

4х10

-1

– 9х10

0

≈ 6х10

4

2х10

-5

–

3х10

-4

Термомеханические (

∆ T

=

100 K

)

10

-5

–10

-4

4х10

-1

– 9х10

0

≈ 6х10

6

2х10

-4

–

3х10

-3

Магнитострикционные

10

-7

–10

-6

≈ 3х10

7

1х10

8

– 7х10

8

0.8 – 0.99

Структуры памяти

формы

10

-5

–10

-4

2х10

-2

– 7х10

0

7х10

5

– 1х10

8

0.01 – 0.02

Магнитоэлектрические

(на основе движущихся

магнитных катушек)

10

-6

–10

-5

1х10

-4

– 5х10

4

5х10

5

– 2х10

6

0.5 – 0.8

Магнитоэлектрические

(на основе соленоидов)

10

-4

–10

-2

5х10

0

– 8х10

1

1х10

4

– 4х10

4

0.5 – 0.8

Пневматические

10

-5

–10

-4

5х10

1

– 3х10

2

≈ 5х10

6

0.3 – 0.4

Гидравлические

10

-5

–10

-4

5х10

1

– 3х10

2

≈ 5х10

8

0.9 – 0.98

Электростатические актюаторы

Электростатические

актюаторы

применяются

для

создания

различных

видов

микроустройств, основанных на преобразовании запасенной электрической энергии в

поступательное и вращательное механическое движение. Наиболее известные – это

релейные элементы для ВЧ техники, микрозахваты и микрощипцы для медицины,

различные вращательные (роторные) движители и др. (таб. 2).

Широкое применение электростатических преобразователей в микросистемной

технике связано с их достоинствами: управляющим сигналом является напряжении, легко

регулируемое электрическим способом, высокое быстродействие, низкая потребляемая

мощность, высокий КПД. Усилия, развиваемые большинством электростатических

преобразователей, находятся в диапазоне от 10

-6

Н до 10

-3

Н, при этом могут быть

достигнуты относительно большие перемещения до 200 мкм [3].

К недостаткам электростатических актюаторов, ограничивающих их обалсть

применения, можно отнести высокое управляющее напряжение, а также высокие

требования предъявляемые к условиям окружающей среды, поскольку существующие в

преобразователе электрические поля притягивают пыль, так же возможен выход из строя

за счет образования конденсата, капель воды на обкладках или в зазоре между ними из-за

высокой

влажности.

Поэтому

электростатические

преобразователи

необходимо

изолировать от окружающей среды путем корпусирования или вакуумирования. В связи с

этим такие актюаторы редко используют для создания движетелей.

Пьезоэлектрические актюаторы

В общем случае пьезоэлектрический преобразователь представляет собой упругий

элемент из пьезоматериала или многослойную структуру, где по крайней мере один слой

обладает

пьезоэлектрическими

свойствами.

Максимальная

сила,

развиваемая

пьезоэлектрическими актюаторами, перекрывают диапазон от 10

-5

до 10

-3

Н, при этом

максимальная величина перемещения составляет от 10

-7

до 10

-3

м [3], также они, как и

электростатические актюаторы, обладают высоким быстродействием и КПД.

Известны пьезоэлектрические актюаторы для создания микроробототехнических

систем. В статье [4] описана конструкция движетеля микроробота (рис 1) размером 3х3

мм

2

с использованием преобразователя на основе обратного пьезоэффекта. Размер

пьезоэлектрического актюатора составляет 2.85х0.45х0.094 мм

3

при этом максимальное

управляющее напряжение 3.6 В.

Пьезоэлектрические

преобразователи,

помимо

создания

движетелей

поступательного

механического

перемещения,

также

используются

для

создания

вращательного механического движения. Примеры вращательных пьезоэлектрических

движетелей и их характеристики представлены в таблице 2.

Рисунок 1. Пьезоэлектрический движетель микроробота [4]

Ограничением к широкому использования пьезоэлектрических актюатров для

создания микродвижетелей является сложность технологического процесса получения

тонких пленок пьезоматериалов с заданными и воспроизводимыми пьезоэлектрическими

характеристиками. Но не смотря на все сложности, ведутся исследования по нанесению

тонких пленок пьезоматериалов. Так, в центре микротехнологии и диагностики Санкт-

Петербургского

государственного

электротехнического

университета

разработана

технология изготовления мембранных элементов, в состав которых входит пленка

нитрида алюминия [5].

Термомеханические актюаторы

Тепловые процессы относительно медленные и трудноуправляемые и поэтому

теряют смысл для создания приводов макрообъектов, но на микроуровне осуществлять

управляемый нагрев и охлаждение ограниченных микрообъемов можно с достаточно

большой скоростью благодаря размерным эффектам [6].

Термомеханические

или

тепловые

преобразователи

являются

наиболее

распространенным видом актюаторов, используемых для создания микродвижетелей для

микророботов. Как правило, они представляют собой биморфные структуры с разными

тепловыми коэффициентами расширения (ТКР), либо структуры с областями с разной

температурой нагрева или конструкции, состоящие из одного материала, который

расширяется вследствие нагрева [7]. С помощью тепловых преобразователей возможно

получение больших деформаций, но при этом они требуют большие энергетические

затраты на разогрев и поэтому обладают малым КПД. К недостаткам можно отнести

низкое быстродействие по сравнению с электростатическими преобразователями, т.к.

процессы нагрева и остывания являются инерционным. В отличии от пьезоэлектрических

актюатров,

технологический

процесс

изготовления

тепловых

преобразователей

относительно прост.

Известны конструкций тепловых микродвижетелей состоящих из кремниевого

каркаса и трапециевидных полиимидных вставок. При нагреве полиимид расширяется,

что приводит к деформации всей конструкции. На основе такого теплового актюатора был

разработан микроробот размером 15х5х0.5 мм

3

перемещающийся со скоростью 6 мм/с на

шести парах тепловых актюаторов длиной 1 мм, с управляющим напряжением 18 В и

способным перемещать грузы массой до 2,5 мг [8]. Принцип движения микроробота,

основанный на попеременном включении-выключении тепловых актюаторов, представлен

на рисунке 2.

а) конструкция

б) принцип передвижения

Рисунок 2. Микроробот на основе теплового актюатора, состоящего из кремниевого

каркаса с полиимидными трапециевидными вставками [9].

Интересным конструкционным решением является использование биморфоной

полимерной структуры, где один из слоев обладает низким ТКР и другой высоким, тем

самым

обеспечивая

хорошую

пластичность

и

износостойкость

преобразователя.

Микроробот размером 1 см

2

состоит из массива 8х8 тепловых актюаторов. Принцип

перемещения, основанный на поочередной работе каждого актюатора, показан на рисунке

3. Параметры микроробота представлены в таблице 2.

а) конструкция

б) принцип передвижения

Рисунок 3. Микроробот на основе теплового актюатора, состоящего из двух полиимидных

слоев с разными ТКР [10].

Магнитоэлектрические актюаторы

Магнитоэлектрические актюатроры не нашли широкого применения для создания

микродвижетелей для микророботов, хотя иногда встречаются движители роторного типа

на основе магнитоэлектрических преобразователях (таблица 2). Это связано, во-первых, с

необходимостью

использовать

постоянные

магниты

или

катушки

для

создания

магнитного поля, которые в свою очередь имеют большую массу и размеры, что не

приемлемо для микроустройств. Такие преобразователи лучше всего подходят для

случаев больших токов и напряжений. Они малочувствительны к влажности и пыли, но

имеют большую рассеиваемую мощность. Но в тоже время по своим динамическим

характеристикам не уступают элекротстатическим и пьезоэлектрическим приводам и с

помощью них возможно создание больших деформаций. Обычно, магнитоэлектрические

актюаторы могут создавать максимальные усилия от 10

-7

Н до 10

-4

Н, при этом

максимальное перемещение составляет от 10

-5

м до 10

-3

м [3].

В качестве магнитоэлектрических актюатров используются структуры состоящие

из тонких пленок из ферромагнитных материалов, например никель. Основными

компонентами таких преобразователей является тонкопленочная структура пластины,

которая

поддерживает

электролитический

пермаллоевый

участок,

генерирующий

механическую силу и вращающий момент при условии помещения его магнитное поле.

Но такие актюторы используются реже, чем основанные на действии силы Лоренца на

проводник с током. Это связано с трудностью создания намагниченных тонких пленок.

Заключение

На

основе

проведенного

исследования

типов

микродвижителей

для

микроробототехнических

систем

можно

сделать

выводы,

что

наиболее

часто

используемым принципом преобразования запасенной или внешней индуцируемой

энергии в механическое перемещение является термомеханический. Это связано, прежде

всего,

с

относительно

простой

и

доступной

технологией

изготовления

таких

преобразователей по сравнению с пьезоэлектрическими и магнитоэлектрическими, а

также возможностью создания больших усилии и перемещений по сравнению с

электростатическими актюаторами.

Список литературы

1.

Градецкий В.Г., Князьков М.М., Фомин Л.Ф., Чащухин В.Г. Механика миниатюрных

роботов. – М.: Наука, 2010 - 272 с.

2.

Huber J E, Fleck N A and Ashby M F 1997 The selection of mechanical actuators based on

performance indices Proc. R. Soc. A 453 2185–205

3.

Bell D. J. MEMS actuators and sensors: observations on their performance and selection for

purpose // Journal of Micromechanics and Microengineering – 2005 №15 – С. 153 – 164

4.

A. Arbat, E. Edqvist B, R. Casanovaa, J. Brufaua Design and validation of the control

circuits for a micro-cantilever tool for a micro-robot // Sensors and Actuators A: Physical –

2009 № 153 – с. 76 – 83.

5.

Кривошеева А.Н. Пассивные и активные мембраны для устройств микросистемной

техники //

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата

технических наук СПбГЭТУ 2007.

6.

Корляков А.В., Лучинин В.В., Никитин И.В. Применение SiC-микронагревательных

систем в микросистемной технике // Микроситемная техника. - 2000. - №2. - С. 27-31

7.

Пат.

на

изобрет.

2193804

РФ,

МПК

H

01L27/00.

Полупроводниковый

термомеханический микроактюатор / В.В. Лучинин, А.В. Корляков, И.В. Никитин - №

2001128523/28; заявл. 22.10.2001; опубл. 27.11.2002, Бюл. № 11, Приоритет 22.10.2001.

– 12 с.

8.

Ebefors T. Polyimide V-groove Joints for Three-Dimensional Silicon Transducers. PhD

thesis. Royal Institute of Technolgy. Stockholm. 2000. 144 p.

9.

MEMS : applications / edited by Mohamed Gad-el-Hak. 2005

10. Suh J., Glader S., Darling R., Storment C., and Kovacs G. (1997) “Organic Thermal and

Electrostatic Ciliary Microactuator Array for Object Manipulation,” Sensors Actuators A, 58,

pp. 51–60.

11. Kim C.-J., Pisano A., and Muller R. (1992) “Silicon-Processed Overhanging Microgripper,”

IEEE/ASME J. MEMS, 1(1), pp. 31–36.