Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

ФАКУЛЬТЕТ: Машиностроительные Технологии

КАФЕДРА: “Электронные технологии в машиностроение”

Реферат

по курсу «Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

на тему: «Механизмы наноперемещений: проблемы и ограничения»

Студент: Доброносова А.А.

МТ11-82

Преподаватель: Сидорова С.В.

Москва 2015

Содержание

Введение 3

1. Пьезодвигатели 4

2. Электродвигатели 6

3.Наноактуаторы 7

Вывод 10

Введение

Во все времена электромеханическим системам отводилось центральное место, уровень их развития определял производственные возможности многих отраслей промышленности, успешность проведения различных научных исследований, развитие медицины. Вот и сейчас, когда взят курс на развитие нанотехнологий, в первую очередь должны решаться задачи развития и совершенствования элементной базы электромеханических систем. Для решения различных задач в микрометровом, а тем более в нанометровом диапазоне, потребуются совершенно новые технологии и технические средства. Самой актуальной проблемой является повышение точности позиционирования. Субмикронный диапазон погрешностей линейного позиционирования и секундный диапазон для угловых перемещений характерен для современных металлообрабатывающих станков, оптико-механических приборов, роботов микроманипуляторов и т. д. Попытки решения данной проблемы с помощью традиционных электромеханических систем наталкиваются на целый ряд технических трудностей. При создании микроперемещений и работе на сверхнизких скоростях электромашинные устройства постоянного и переменного тока работают в неустойчивых (зарегулированных) режимах, что проявляется в нерегулярных колебаниях объекта позиционирования в направлении движения. Кроме того, существенное влияние оказывают нелинейности кинематических передач (люфты, сухое трение, зоны нечувствительности и т.д.), пренебречь которыми в данных условиях не представляется возможным. Даже в лучших шарико-винтовых передачах повторяемость позиции достигается с погрешностью от десятков долей до единиц микрометров. Большое влияние на точность микроперемещений оказывают тепловые и вибрационные возмущения, которые при больших диапазонах перемещений, как правило, не учитываются. Таким образом, можно сделать вывод о том, что традиционные электромашинные исполнительные устройства в данном направлении свои возможности исчерпали и необходим переход на другой технологический уровень с применением новых материалов, иных физических эффектов и конструктивных решений. Уже не один десяток лет у нас в стране и за рубежом ведутся исследования и разработки исполнительных устройств нового типа, преодолевающих перечисленные недостатки. Это и магнитострикционные, и пьезоэлектрические, и электромагнитные и даже тепловые преобразовательные устройства.

1. Пьезодвигатели

Анализ результатов поиска в технической литературе и Интернете показывает, что пьезоэлектрические устройства занимают лидирующие позиции, обгоняя все остальные типы устройств еще и по таким показателям как энергосбережение, миниатюризация и адаптивность к компьютерным системам управления. Такое лидерство накладывает серьезные обязательства на производителей пьезоматериалов и устройств на их основе в плане улучшения их свойств и характеристик, повышения стабильности параметров. За последние пять лет, многое сделано в этом направлении как у нас в стране, так и за рубежом. Разработаны новые типы пьезокерамик, созданы новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты, предназначенные специально для исполнительных устройств нового поколения.

Пьезодвигателями называют такие системы, в которых механическое перемещение осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта. Первый эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых материалов в электрическом, а второй – во внешнем магнитном поле. Интересно, заметить, что оба пьезоэффекта полностью обратимы: при деформации пьезоэлемента на его концах появляется электрический заряд или магнитное поле (прямой пьезоэффект), а при приложении электрического или магнитного поля проявляется изменение его линейных размеров (обратный пьезоэффект). Очевидно, что пьезодвигатели работают на обратном пьезоэффекте.

Сами материалы, проявляющие такие свойства, относят к пьезоэлектрикам или к пьезомагнитным материалам. Впервые пьезоэлектрический эффект был обнаружен еще в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри на кристаллах кварца. В дальнейшем аналогичные свойства были открыты более чем у 1500 веществ, из которых чаще всего используют сегнетову соль NaKC4H4O6•4H2O и титанат бария BaTiO3. Пьезомагнитные материалы представлены широким кругом магнетиков, таких как железо, никель, кобальт, их сплавы или оксиды.

Пристальное внимание, которое в особенности теперь уделяется пьезоматериалам и элементам на их основе, объясняется целым рядом их достоинств:

1. Высокая надежность – выходит на уровень электронных схем (например, интенсивность отказов пьезоэлементов <10-6 1/час) основными причинами отказов являются электропробой и разрыв соединительного шва у биморфных элементов, который происходит в результате изгибных колебаний.

2. Малые массогабаритные показатели – определяются размерами пьезоэлементов (массогабаритные показатели отдельных узлов систем управления могут быть снижены при применении ПД в десятки раз).

3.Высокая радиационная стойкость - ПД могут сохранять работоспособность при воздействии всех известных видов радиоактивного излучения.

4. Стойкость к действию различных агрессивных сред – из известных в настоящее время химических соединений только плавиковая кислота способна оказать разрушающее действие на пьезокерамику, что позволяет использовать ПД в ряде химических производств.

5. Высокая термостойкость – элементы, изготовленные из некоторых марок пьезокерамики ЦТС, ПКР не теряют своей работоспособности при температурах до 300-400°С, а на основе кобольта способны выдерживать температуру равную и более 700 °С.

6. Возможность использования ПД непосредственно без дополнительных кинематических связей с объектом измерения – что обеспечивает отсутствие дополнительных погрешностей измерения (механических, тепловых и др.).

7. Диэлектрическая природа пьезоэлемента – функционирование за счет действия электрического поля (а не тока проводимости), практическое отсутствие тока и связанных с этим тепловыделений в диапазоне инфранизких частот обеспечивает ему качество взрывобезопасного элемента (возможно использование на нефтехимических производствах).

Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические двигатели. В настоящее время известно более 50 различных конструкций таких двигателей. Как правило, устройство содержит основание, на котором закреплена пьезоэлектрическая трубка. Трубка имеет электроды на внешней и внутренней поверхностях, а на конце трубки укреплена разрезная пружина, представляющая собой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлен держатель объекта. Для перемещения держателя объекта к электродам пьезотрубки прикладывают импульсное напряжение: трубка плавно удлиняется или сжимается в зависимости от полярности напряжения, и ее конец вместе с пружиной и держателем объекта смещается на некоторое расстояние.

Одна из конструкций шагового инерционного пьезодвигателя приведена на рисунке 1. Данное устройство содержит основание (1), на котором закреплена пьезоэлектрическая трубка (2). Трубка имеет электроды (3) на внешней и внутренней поверхностях. На конце трубки укреплена разрезная пружина (4), представляющая собой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлен держатель объекта (5) - достаточно массивный цилиндр с полированной поверхностью. Перемещаемый объект может крепиться к держателю с помощью пружины или накидной гайки, что позволяет устройству работать при любой ориентации в пространстве. Устройство работает следующим образом. Для перемещения держателя объекта в направлении оси Z к электродам пьезотрубки прикладывается импульсное напряжение пилообразной формы. Характерная форма импульса управляющего напряжения приведена на рисунке 2. Диапазон перемещений таких двигателей ограничен лишь размерами рабочей поверхности. Минимальный шаг пермещения определяется свойствами и размерами пьезоэлементов и величиной управляющего напряжения. Плавность хода зависит от минимального шага и частоты следования управляющих импульсов напряжения.

Рисунок 1- Схема шагового пьезодвигателя

Рисунок 2- Форма импульса управляющего напряжения шагового инерционного пьезодвигателя

Применение пьезодвигателей отнюдь не ограничивается системами нанопозиционирования – пьезоэлектрические материалы и принципы их работы активно используются в микро- и наноэлектромеханических системах, наноактюаторах, нановесах, наносенсорах и зондовой микрскопиии.

2. Электродвигатели

Для микро- и наноперемещений используют шаговые электродвигатели(ШЭД). Шаговые электродвигатели представляют собой электромеханические устройства, которые преобразуют электрические импульсы в дискретные механические перемещения (дискретное вращение ротора). Важным преимуществом шаговых электродвигателей является то, что они обеспечивают однозначную зависимость положения ротора от входных импульсов тока, так что угол поворота ротора определяется числом управляющих импульсов. В ШЭД вращающий момент создается магнитными потоками, создаваемыми полюсами статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготавливается из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая определяется током в обмотках и количеством витков. Если одна из обмоток шагового электродвигателя запитана, то ротор принимает определенное положение. Выключая ток в данной обмотке и включая ток в другой, можно перевести ротор в следующее положение и т.д. Таким образом, управляя током обмоток, можно осуществлять вращение ротора ШЭД в шаговом режиме. Он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Наиболее простую конструкцию имеют двигатели с постоянными магнитами. Они состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. На рисунке 3 представлена упрощенная конструкция шагового электродвигателя. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на два противоположные полюса статора. Показанный на рисунке 3 двигатель имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из обмоток ротор стремится занять такое положение, при котором разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать обмотки попеременно.

Рисунок 3 – Схема ШЭД

На практике применяются шаговые электродвигатели, имеющие более сложную конструкцию и обеспечивающие от 100 до 400 шагов на один оборот ротора (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Если такой двигатель работает в паре с резьбовым соединением, то при шаге резьбы порядка 0.1 мм обеспечивается точность позиционирования объекта порядка 0.25 - 1 мкм. Для увеличения точности применяются дополнительные механические редукторы. Возможность электрического управления позволяет эффективно использовать ШЭД в сканирующих зондовых микроскопах, системах позиционирования и других прецизионных процессах.

3.Наноактуаторы

Слово «наноактюатор» является калькой с английского nanoactuator – что-то очень маленькое, что может действовать (act в переводе означает «действовать»). Действовать можно, конечно, поразному, но когда говорят о наноактюаторах, речь, как правило, идет о механическом действии – например, о линейном перемещении или вращении чего-либо. Наноактюаторы очень востребованы в различных наноустройствах. Например, наномашина не смогла бы ездить без наноактюатора – своего молекулярного мотора, а нанороботы не могли бы делать шаги.

Очевидно, что для движения какого-либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить. На сегодняшний день известно много способов преобразования химической и электрической энергии в механическую. По сравнению с традиционно используемым в макроскопических масштабах электромагнитным методом, в нанотехнологии существует возможность применения и других принципов, которые в случае макротехнологии не имело смысла использовать по функциональным или ценовым характеристикам.

Очевидно, что выбор принципа активации следует проводить с учетом максимальной эффективности, мощности и быстродействия наноустройств. Кроме того, одной из наиболее важных характеристик принципа действия устройства является максимальная сила, развиваемая в процессе преобразования энергии F, которая в общем случае зависит от масштаба системы. Так как энергия однородной системы пропорциональна ее объему (R³), максимальная сила, развиваемая актюатором, пропорциональна R². В случае непотенциальных полей взаимодействие элементов системы может оказаться нелинейным, что приводит к отклонению показателя степени от 2 – то есть энергия будет теряться впустую. В общем случае взаимосвязь между силой и размером системы может быть описана соотношением F ~ Rⁿ, где показатель степени n во многом определяет эффективность конкретного способа преобразования энергии, который может изменяться при переходе от макро- к микро- и нанодиапазону. Действительно в микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в макроэлектронике, часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты. Очевидно, что в зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к микро- или наноэлектромеханической системе может осуществляться электрически, термически или химически.

Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Простейшие типы таких актюаторов включают пьезодвигатели и электростатические актюаторы на основе плоскопараллельных конденсаторов, однако возможны и более сложные и интересные решения. Исследователи из Беркли, США, например, создали электрический наноактюатор, очень похожий на обычный электромотор. Вращающаяся часть, называемая ротором, – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5 В, ученые заставляют наномотор вращаться.