Исследование микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами

• Автор: Ляпунов, Данил Юрьевич
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
м>м - удельная энергия магнитного поля; и - относительная магнитная проницаемость среды;
Ро — магнитная постоянная;
Н - напряженность магнитного поля в рабочем зазоре преобразователя;
В - индукция магнитного поля;
>1'э - удельная энергия электрического поля в зазоре емкостного
преобразователя
ег - относительная диэлектрическая проницаемость рабочего зазора
преобразователя;
б0 - электрическая постоянная;
Е — напряженность электрического поля в рабочем зазоре преобразователя С(0) - функция зависимости емкости между подвижным и неподвижным элементами емкостного преобразователя (ротором и статором) от угла поворота электрического поля 0;
5(0) - площадь взаимодействия электрических полей подвижного и
неподвижного элементов емкостного преобразователя в функции угла поворота электрического поля 0;
с/(0) - функция изменения воздушного зазора в зависимости от угла поворота электрического поля 0;
М (0) - электрический момент, приводящий ротор преобразователя в движение;
и - действующее значение напряжения, приложенного между подвижным и неподвижным элементами преобразователя;
х({) - линейное смещение подвижного элемента (ротора) относительно неподвижного (статора);
А(/) - сила, приводящая подвижный элемент преобразователя в движение;
т - масса подвижного элемента (ротора) преобразователя; р - коэффициент демпфирования упругого элемента; к - коэффициент жесткости упругого элемента;
С (х) - емкость между подвижным (ротором) и неподвижным (статором) элементами преобразователя в функции обобщенной координаты х;
£(х) — площадь взаимодействия между подвижным (ротором) и неподвижным (статором) элементами преобразователя в функции обобщенной координаты х; п - число пластин подвижной части (ротора) гребневого преобразователя;
Д — величина зазора между пластинами подвижной и неподвижной части гребневого преобразователя;
/ - длина пластин подвижного элемента гребневого преобразователя;
Н - толщина диэлектрической пленки на поверхности неподвижного элемента преобразователя;
е - эксцентриситет между ротором и статором емкостного преобразователя с катящимся ротором;
ЕиЕ2~ напряженность электрического поля в диэлектрике;
Е и Е’2 - напряженность электрического поля в системе «металл-диэлектрик»; Аі, А ь А і - постоянные величины для конструкции преобразователя с катящимся ротором, учитывающие геометрию и свойства диэлектрика;
Стах — максимальная емкость между ротором и статором преобразователя;
0] - диаметр статора емкостного преобразователя с катящимся ротором;
Д, - диаметр ротора емкостного преобразователя с катящимся ротором;
/ср - коэффициент редукции частоты вращения емкостного преобразователя с катящимся ротором;
п] - синхронная частота вращения электрического поля, создаваемого статором емкостного преобразователя с катящимся ротором;
п — частота вращения ротора емкостного преобразователя с катящимся ротором;
с1(х) - функция, описывающая изменение зазора в зависимости от координаты х;
г/,- - толщина тонкой диэлектрической пленки на- поверхности неподвижного элемента (статора) преобразователя;
Р- сила, приложенная к ротору для изменения координаты х.
1¥э (х) - функция зависимости энергии электрического поля,
сконцентрированная в рабочем зазоре преобразователя от обобщенной координаты;
I, а, <4 - соответственно длина, ширина и толщина кантилевера;
Рн - сила взаимодействия кантилевера с исследуемой поверхностью;
8 - перемещение, вызванное взаимодействием кантилевера с поверхностью; а - угол отклонения кантилевера от положения равновесия; соо — резонансная частота;
/к - длина консоли;
Ет - модуль Юнга материала;
1у - момент инерции в поперечном сечении консоли; р - плотность материала;
С7е - плотность зарядов на металлических обкладках;
1/3 - электретное напряжение;
С0 - емкость на единицу поверхности электрода;
<4 - толщина зазора между металлической обкладкой и поверхностью диэлектрической пленки;
Д( - величина шага планарного пленочного преобразователя;
Д2 - перемещение, создаваемое функциональным элементом микроструктурного нитевидного электромеханизма; с! - расстояние между электродами преобразователя;
£Пр> £0пр - электрическая прочность рабочего зазора емкостной машины с диэлектриком и без диэлектрика соответственно;
Со, СЕ - емкости соответственно воздушного зазора и диэлектрика соответственно;
Яо, ЯЕ ~ активные сопротивления воздуха и диэлектрика;
мощностью до' 10'6 Вт, напряжением до 100 В и частотой вращения до 50000 об/мин [52]. При проектировании подобных преобразователей необходимо учитывать, что момент на валу, в конечном счете, зависит от количества зарядов на роторе[53].
Поскольку кремниевые подложки также применяется для производства интегральных микросхем, то подобные преобразователи могут изготавливаться совместно со схемами питания и управления, а также оснащаться датчиками, схемами цифровых интерфейсов, которые позволяют напрямую подключать систему к компьютеру или микропроцессору [12].
Таким образом, копирование традиционных конструкций емкостных преобразователей для устройств микросистемной техники приносит определенный эффект - обеспечивается высокая энергоемкость, частота вращения. Однако в некоторых приложениях для увеличения функциональных, возможностей рассматриваемых устройств требуется поступательное движение ротора. Для. решения данной проблемы актуальна разработка новых конструкций микродвигателей и датчиков с линейным движением подвижной части.
1.4.2. Емкостный гребневый преобразователь с воздушным зазором.
С этой целью широко используется конструкция гребневого преобразователя с воздушным зазором (рисунок 1.5). В основе его конструкции лежит принцип взаимодействия зарядов на роторе и на статоре через электрическое поле в зазоре [54].
Основное уравнение движения системы имеет следующий вид:
mx(t) + (3x(f) + Ах(/) = F(t),
где т - масса ротора, (5 - коэффициент демпфирования упругого элемента, к - коэффициент жесткости упругого элемента, x(t) - смещение инерционной массы ротора относительно положения равновесия, F(t) - сила, приводящая систему в движение.