Диссертация (Разработка и исследование пьезопреобразователей для устройств прецизионного перемещения в оборудовании и приборах электронной техники)

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение«Научно-исследовательский институт перспективных материалов итехнологий»На правах рукописиМАТВЕЕВ Егор ВладимировичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯУСТРОЙСТВ ПРЕЦИЗИОННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯВ ОБОРУДОВАНИИ И ПРИБОРАХ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИСпециальность: 05.27.06 – Технология и оборудование для производстваполупроводников, материалов и приборов электронной техники.(технические науки)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук,доцент, Виноградов А.Н.Москва 20162ОглавлениеВведение...........................................................................................................................4Глава 1. Аналитический обзор литературных данных по исследованию пьезопреобразователей в оборудовании и приборах электронной техники.....................131.1.

Физические основы пьезоэффекта........................................................................131.2. Пьезоприводы в оборудовании и приборах электронной техники....................241.2.1. Пьезоприводы систем микроперемещений.......................................................271.2.2. Пьезоклапаны и натекатели................................................................................311.2.3. Пьезогироскопы...................................................................................................371.2.4. Пьезосканеры.......................................................................................................431.2.5. Микронасосы.......................................................................................................521.2.6. Пьезокорректоры ................................................................................................571.3.

Перспективные направления развития пьезоустройств....................................59Глава 2. Методики расчета многослойных пьезопреобразователей с переменнойжесткостью.....................................................................................................................602.1. Методика расчета прямоугольных пьезопреобразователей...............................622.2. Методика расчета дисковых пьезопреобразователей.........................................642.3.

Методика расчета трубчатых пьезопреобразователей........................................662.4. Тестирование разработанных методик.................................................................692.4.1. Тестовый расчет дискового пьезопривода........................................................692.4.2. Тестовый расчет прямоугольного пьезопривода..............................................722.4.3. Тестовый расчет трубчатого пьезопривода......................................................75Глава 3. Практические приложения методик расчета многослойных пьезопреобразователей...........................................................................................................793.1. Разработка и исследование прямоугольных пьезоприводов..............................793.2.

Исследования балочных пьезорезонаторов вибрационных гироскопов……...863.3. Исследование планарных пьезорезонаторов вибрационных гироскопов…….9533.3.1. Методика определения выходного сигнала чувствительных элементов пьезогироскопов..................................................................................................................963.3.2. Мембранный пьезорезонатор с инерционной массой......................................973.3.3. Ш-образный пьезорезонатор............................................................................1023.3.4.

Т-образный планарный кварцевый пьезорезонатор.......................................1043.3.5. Крестообразный пьезорезонатор......................................................................1053.3.6. Пьезорезонатор в форме песочных часов.......................................................1083.4. Разработка и исследование трубчатых пьезоприводов сканирующих зондовыхмикроскопов.................................................................................................................1103.4.1 Численное моделирование трубчатого пьезопривода....................................1123.4.2.

Аналитическое моделирование трубчатого пьезопривода............................1153.5. Разработка и исследование перистальтических микропьезонасосов…..........121Глава 4. Разработка и исследование по приведенным методикам многослойныхпьезоприводов для устройств термокомпенсации оптических резонаторов........1374.1. Разработка и исследование дисковых пьезокорректоров оптических интерферометров.......................................................................................................................1374.2.

Моделирование соединения оптическим контактом пьезозеркала и корпусаоптического резонатора..............................................................................................1414.3. Компенсация тепловых деформаций ситаллового диска с многослойным покрытием с помощью пьезокольца..............................................................................156Основные выводы и результаты................................................................................164Условные сокращения и обозначения.......................................................................167Список литературы......................................................................................................168Приложения..................................................................................................................1794ВведениеИспользование современных вычислительных средств для проектированияи расчета оборудования и изделий электронной техники является одной из наиболее острых и актуальных тем современной российской науки и технологии.

Этосвязано с резко возросшими требованиями к точности, прочности и надежностиконструкций и оборудования электронной техники, в частности, для производствамикро- и нанотехнологических изделий. В настоящей работе представлены результаты исследований, которые подтверждают целесообразность использованиясовременных методов математического моделирования, в частности метода конечных элементов, для решения актуальных практических задач, связанных с расчетом многослойных пьезопреобразователей.

В ходе исследований также разработаны практические методики расчета ряда конструкций электронной техники,проверенные различными методами – от аналитических до натурных экспериментов. Область исследований в основном ограничена исследованием механическихсвойств (напряженно-деформированного состояния) пьезоэлектрических и оптических узлов и приборов с учетом различных воздействий.Расширение областей нанотехнологических исследований требует непрерывного расширения номенклатуры высокоточных устройств, работающих вусловиях вакуума и используемых для перемещения, прецизионного позиционирования, а также для выполнения технологических операций микро- и наноэлектроники.

К данным устройствам предъявляются, помимо высоких функциональных характеристик, высокие требования к чистоте технологической среды и малому износу.Большинством этих качеств обладают пьезоэлектрические преобразователи(ПП), принцип действия которых основан на явлениях прямого и обратного пьезоэффектов. Большая часть рассматриваемых в настоящей диссертации устройств(пьезокорректоры, пьезосканеры и микрогироскопы) используют в своей работе, восновном, обратный пьезоэффект (деформацию элементов под действием элек-5трического поля) в качестве приводного механизма. Явление прямого пьезоэффекта (возникновение заряда под действием механических напряжений) используется, наряду с обратным пьезоэффектом, только в одном классе рассматриваемых устройств – пьезогироскопах.Таким образом, большинство рассматриваемых в работе ПП являются пьезоприводами (пьезоактюаторами) и относятся к изгибному типу, поскольку данный тип ПП обладает большим (при прочих равных условиях) пьезоэлектрическим ходом среди всех других форм пьезоприводов.По сравнению с другими видами приводов (механическими, магнитодинамическими, магнитострикционными и др.) пьезоприводы способны обеспечитьвысокоточные перемещения в нано- и микрометровом диапазонах (от единиц ангстрем до единиц мм), обладают высоким разрешением, высокой точностью, позволяют обеспечить значительные усилия, не загрязняют технологическую среду иобладают малыми размерами и стоимостью.

Кроме того, в них отсутствуют дополнительные кинематические связи, и для их использования нет необходимостив дополнительном оборудовании для обработки и преобразования сигналов [1].ПП получили широкое распространение в оборудовании для производстваизделий электронной техники (ИЭТ) в качестве датчиков (сенсоров) и приводовдвижения (актюаторов), работающих в квазистатическом и динамическом режимах.

Подробный обзор ПП представлен в главе 1.Вопросами, связанным с моделированием, разработкой и применением пьезоустройств в оборудовании электронной техники занимались отечественныеученые Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А., Лавриненко В.В., Малов В.В. Смирнов А.Б.,Панич А.Е., Богуш М.В., Бобцов А.А., Белоконь А.В., Быков В.А., Шарапов В.М.и др., а также зарубежные ученые: Uchino K., Chen C.J., Jaffe B., Binnig G., UptonE.L., Tichy J., Nguyen N.-T., Bar-Cohen Y., Pan S. H., Ballas R.G., Allic H., JonesD.J., Lee J.K., Lee C.-C., Zhao C., Reza Moheimani S.