Разработка моделей и исследование динамики микромеханических устройств с электростатическим накатом упругих лент

• Автор: Степанов, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
РЕВЕРСИВНОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ ВРАЩЕНИЯ
§1.1. Конструктивные схемы и принцип действия реверсивного электростатического микродвигателя
§ 1.2. Постановка задачи
§ 1.3. Расчет электростатического давления
§ 1.4. Напряженно-деформированное состояние ленты при действии электростатического давления
§ 1.5. Напряженно-деформированное состояние ленты при отсутствии электростатического давления
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ
МИКРОДВИГАТЕЛЯ
§ 2.1. Шаговый режим движения микроактюатора
§ 2.2. Разгон и квазиустановившийся режим движения микроактюатора
§ 2.3. Экспериментальная оценка результатов численного моделирования динамики микроактюатора
§ 2.4. Характеристики электростатического микродвигателя вращения
ГЛАВА 3. ДИНАМИКА СЕНСОРНОГО УСТРОЙСТВА МАЯТНИКОВОГО
ТИПА С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ НАКАТОМ
§ 3.1. Конструктивная схема и динамическая модель микромеханического сенсорного устройства
§ 3.2. Схема организации измерений уровней силового и кинематического возмущений
§ 3.3. Определение допустимых областей основных параметров сенсорного устройства
§ 3.4. Линейная модель сенсорного устройства
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря развитию технологий микроэлектроники и микроэлектроме-ханических систем (МЭМС) за последнее время в мире создано большое число новых миниатюрных датчиков, микродвигателей и преобразователей, сочетающие характеристики электронных схем и механических компонентов [18], [69]. Применение миниатюрных датчиков инерциальной и внешней информации, микрогенераторов энергии, микроклапанов, микродвигателей и позиционирующих устройств позволяет решить задачи безопасности жизнедеятельности, энергосбережения и управления движением.
Анализ приоритетных направлений развития науки, технологий и техники и перечня критических технологий Российской Федерации к которым относятся индустрия наносистем, информационно-телекоммуникационные системы, энергоэффективность, энергосбережение показывает, что задачи создания новых перспективных приборов и устройств с повышенным сроком службы, низкой материалоемкостью и весом конструкции являются актуальными.
Основные задачи, которые ставятся перед разработчиками - микроэлек-тромеханических устройств, являются повышение точности, надежности и энергоэффективности проектируемых систем за счет применения новых конструкционных материалов, создания и совершенствования технологий изготовления, использования методов математического моделирования, позволяющими получить требуемые характеристики системы.
Объектами исследования являются новые научные задачи, связанные с разработкой новых перспективных устройств: реверсивный микродвигатель вращения и сенсорное устройство, принцип действия которых основан на электромеханическом преобразовании энергии - электростатическом накате проводящей гибкой металлической ленты на сегнетоэлектрическую пленку.
Целью работы является разработка динамических моделей новых микроэлектромеханических систем и их элементов в составе реверсивного

Рассмотрим электромеханическую структуру, состоящей из ленты 2, подложку 3, с последовательно нанесенными проводящим слоем 4 и сегнето-электрической пленкой 5, образующая конденсатор переменной емкости. Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным линиям.
Основные параметры физической модели поля: 0 - угол между сегне-тоэлектрической пленкой 5 и проводящей лентой 2 с координатами г, у; (р -текущий угол (0 < ср < 0); г - радиус кривизны силовых линий; р - радиус кривизны к ленты; Г - кривизна эквипотенциальной линии в точке пересечения с силовой линией; з0,5 — координаты силовых линий на поверхности се-гнетоэлектрической пленки и в произвольной точке соответственно. При расчете электрического поля толщина сегнетоэлектрической пленки определяется соотношением
<1=—,

где с15 - толщина сегнетоэлектрической пленки, £ - диэлектрическая проницаемость (е » 1). В результате замены диэлектрическая среда между поверхностями ленты и проводящим слоем, далее считается условно однородной.
Выражение для электростатического давления имеет вид [33]

°с° (1.1)

где £0 = 8,85 • 10“12 Н/В2 - электрическая постоянная, Е0 — напряженность электростатического поля непосредственно у поверхности ленты. Электрическая постоянная
В физической модели поля переменность кривизны к по длине ленты, большой диапазон изменения текущего угла поворота сечения ленты 0 приводит к неоднородности электростатического поля в конденсаторе. При оценке влияния указанного эффекта было принято допущение, что силовые линии электростатического поля имеют форму, близкую к окружности [54], концы которых направлены перпендикулярно поверхностям ленты и проводящего слоя. Такая модель поля позволяет определить кривизну эквипотен-