РПЗ (Технология рентгенолитографии), страница 7

Важным требованием, предъявляемым к материалу электрета, является малое время поляризации (менее 1 с), т.е. то время, за которое прижим развивает требуемое усилие, а также быстрая релаксация заряда при снятии внешнего напряжения. Последнее позволяет осуществлять быстрый съем пластины. Эти условия, наряду с теми, что сформулированы при обсуждении электростатического прижима, должны быть учтены при выборе электретного покрытия.

На рис. 55 изображены экспериментальные зависимости усилия прижима электретного устройства крепления от напряжения . В качестве покрытий взяты полимерные пленки фторопласта-4, лавсана, майлара и полиимида толщиной 10 мкм. Как видно из рисунка, ни один из исследуемых материалов не позволяет развить усилие выше 0,18*10 Па. Были исследованы твердые электреты, в частности, обычное стекло, плавленный кварц, ситалл, а также довольно широкая группа легированных стекол. Целью исследований являлось нахождение материала, обеспечивающего при электризации прижимное усилие (0,6-0,8)*10 Па. Лучшие результаты получены на ситалле, толщиной 0,2 мм. При внешнем напряжении 1000. В усилие отрыва составляло 0,20.10 Па.

Совместно с Новгородским политехническим институтом автором были проведены исследования по использованию толстых пленок (около 100 мкм) окиси алюминия. Наряду с заряжанием электрета посредством контактирующих электродов, изучалась возможность создания заряженных слоев в коронном разряде. Последнее позволяло изготавливать электрет длительного пользования, заряд внутри которого сохранялся в течение нескольких суток и даже недель. Несмотря на различные приемы создания окисла и его заряжания не удалось получить усилие прижима, превышающее 0,2*10 Па.

Таким образом, для получения требуемых свойств необходима специальная разработка электретного материала, состоящего из нескольких компонентов. Существую-щие электретные пленки не позволяют развивать нужных усилий прижима.

Рис. 55.

8.3. Планированный эксперимент

Данный раздел проекта основан на экспериментах, проведенных в [6]. Эти эксперименты были посвящены определению максимального усилия прижима электретного устройства.

Усилие прижима является важнейшей характеристикой любого устройства крепления. В этой связи возникает необходимость определения оптимального соотношения компонентов, входящих в состав электретного покрытия, при котором усилие прижима максимально. Для нахождения указанной взаимосвязи был применен метод полного факторного эксперимента (ПФЭ). В качестве модели процесса выбрана модель "черный ящик". Она представляет собой систему, в которой известны лишь входные и выходные параметры, а процессы, происходящие внутри системы, остаются неизвестными. Такой выбор объясняется сложностью влияния каждого из компонентов, невозможностью установления точных физических характеристик, а также незавер-шенностью теории электретного эффекта в полимерных материалах. Систему изучают, наблюдая за реакцией выходной величины на изменение входных. За выходную величину примем параметр оптимизации, являющийся в данном случае усилием прижима устройства.

Нa основании априорного ранжирования факторов определим первичные параметры модели, т.е. составляющие покрытия, которые оказывают наибольшее воздействие на выходной параметр. Ими являются:

1. Сегнетокерамический порошок Т-8ООО – x1,

2. Касторовое масло – x2,

3. Эпоксидная смола – x3,

В качестве функции связи между первичными и выходным параметрами примем неполную квадратичную функцию

где - номера первичных параметров; —

коэффициенты регрессии.

Согласно методу ПФЭ для каждого исследуемого первичного параметра устанавливают два уровня (верхний и нижний), а затем реализуют все возможные комбинации уровней. Общее число экспериментов при числе параметров и двух уровнях определяют по формуле

Анализ априорной информации позволил в качестве основного (нулевого) уровня для построения плана эксперимента выбрать точку с координатами =2,5%, =2,5%, = 1,8%. В ка­честве единицы измерения параметров выбрано процентное содержа­ние каждого из компонентов, в общем составе покрытия.

При построении матрицы планирования эксперимента верхний уровень обозначаем знаком "плюс", а нижний - знаком "минус". В строках матрицы записаны данные опыта, а в столбцах параметры в кодах "+" или "-" с реализацией всех возможных сочетаний. С целью исключения систематических ошибок матрицу планирования (таблица 4) рандозимировали при помощи генератора случайных чисел, организованного в виде стандартной подпрограммы на языке программирования .

Эксперимент проводился в соответствии с матрицей планирования на специальном стенде, схема которого изображена на рис. 56. Полупроводниковая пластина 1 прикле-ивалась к оправке 2, соединенной с пружинным динамометром 3. Динамометр закрепляли на ручном механизме подъема 4. Оправка устанавливалась на электретный столик 5, после чего от источника питания 6 подавалось напряжение, одинаковое для каждого опыта и равное 400 В. Момент отрыва фиксировали по шкале динамометра. Полупроводниковая пластина представляла квадрат площадью около 2 см . Меньшая площадь пластины приводит к увеличению погрешности определения усилия отрыва, т.к. электризация диэлектрического покрытия осуществляется посредством незначительного контакта, что повышает разброс величины плотности заряда в материале элекрета. При увеличении размера пластины усилие отрыва достигает значительной величины, вызывающей ее разрушение (образуются сколы по периметру пластины).

Рис. 56.

Таблица 4.

Дальнейший расчет производился в программе MathCAD и представлен в приложениях.

8.4. Разработка спутника для п/п пластин.

В работе [6] представлена характеристика изготовленного спутника рис. 57.

Рис. 57.

Спутник представляет собой плоскую пластину, изготовленную из сплава Д16Т, толщиной 8 мм (рис. 57). В качестве диэлектрической прокладки использовали твердый окисел алюминия 120-150 мкм толщиной. Пробивное напряженно окисла не ниже 1,2 кВ. Рабочая поверхность спутника 1 обработана по R_z= 1,б с неплоскостностью, не превышающей 5 мкм. Непараллельность рабочей и опорной поверхностей не более 5 мкм. Спутники предназначены для крепления пластин диаметром 100 мм. В рабочей поверхности изготовлены канавки 2, каждая из которых соединена с помощью отверстия 3 с общим каналом, заканчивающимся штуцером 4.

Токоподвод осуществляется электродами 5 и 6, первый из которых соединен с корпусом спутника и находится под потенциалом земли, а другой, посредством пружинного контакта сообщает потенциал полупроводниковой пластине. Пружинный контакт представляет собой упругий стальной элемент с игольчатым окончанием. Радиус иглы не более 10 мкм. Наличие острия объясняется тем, что в процессе технологического маршрута пластина неоднократно подвергается окислительным операциям. При этом на ее обратной стороне образуется пленка толщиной 0,2-1 мкм, являющаяся хорошим диэлектриком. Наличие острого контакта электрода позволяет частично за счет механического усилия и, в большей степени, благодаря высокому значению потенциала на острие разрушить пленку окисла и осуществить токоподвод к кремнию.

На основе данного устройства разработана конструкция спутника для переноса п/п пластин, которая представлена на листе 4 проекта. Принцип работы устройства аналогичен приведенному выше.

9. Конструирование привода точных перемещений.

В качестве привода точных перемещений в данном проекте предлагается пьезопривод.

Пьезопривода (актюаторы) строятся на принципе обратного пьезоэффекта и предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела. Если к пьезоэлектрику приложить электрическое поле, то он изменит свои размеры. Эти деформации очень малы и составляют порядка 0,1% его размера. Изменение размеров четко пропорционально величине приложенного поля, таким образом, пьезоэлектрики идеальны для применения в качестве позиционирующих приводов с нанометровой точностью.

Однако пьезоэлемент способен создавать лишь малое перемещение. Поэтому в качестве передаточного механизма в подобных устройствах применяется мультиплицирующий рычажный механизм на основе упругих шарниров. При малых перемещениях данные шарниры можно рассматривать как обычные цилиндрические шарниры. Тогда расчет мультиплицирующего действия передаточного механизма сводится к расчету рычажной системы.

На основе разработок кафедры МТ 11 в данном курсовом проекте построен трехкоординатный привод точных перемещений (рис. 58).

Рис. 58.

Данный приво состоит из 3-х однокоординатных приводов осуществляющих перемещение по координатам в горизонтальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси (рис. 59, 60 и 61).