Диссертация (Разработка и исследование пьезопреобразователей для устройств прецизионного перемещения в оборудовании и приборах электронной техники), страница 2

O., Zhang Z., Presz W., YangJ.S. и многие другие. Проведенные исследования в работах представленных вышеавторов, позволили расширить функциональные характеристики ПП в оборудовании электронной техники.6Однако, в ходе эксплуатации реальных ПП, установленных в приборах иустройствах электронной техники в условиях изменения температуры была замечена необходимость учитывать температурные деформации, возникающие во всехслоях ПП – активных (пьезоэлектрических), упругих, соединительных и в слояхметаллизации.В данной работе представлены численно-аналитические методики расчетанапряженно-деформированного состояния многослойных ПП различных форм сучетом температурного воздействия.

Применение разработанных методик для оптимизации реальных устройств показало их высокую эффективность для решениязадач повышения точности микроперемещений и расширения температурногодиапазона компенсации тепловых деформаций.Актуальность работыВ работе исследованы многослойные пьезоэлектрические преобразователипрецизионного оборудования электронной техники и разработаны инженерныеметодики их моделирования с учетом действия температуры и пьезоэффекта.Мировыми производителями пьезоустройств микроперемещений являютсяфирмы Murata (Япония), Physik Instrumente (PI) GmbH & Co (Германия), MorganElectro Ceramics (Великобритания), APC (США) и др.Актуальность работы обусловлена тем, что повышение микроминиатюризации требует развития инженерных методик, позволяющих создавать контрольноаналитическое оборудование.Проведенные исследования являются актуальными, поскольку приводы наоснове пьезоэффекта способны удовлетворить большинству требований, предъявляемых к устройствам прецизионного перемещения субмикронного и нанометрового диапазона в оборудовании электронной техники: воспроизводимости перемещений, рабочим усилиям и требованиям к надежности, чистоте технологической среды и малому износу, возможности работы в вакууме, микроминиатюризации и малому энергопотреблению.Диапазон рабочего хода исследуемыхустройств, например, в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), составляет7от единиц ангстрем до сотен микрометров, а погрешность не должна превышатьдесятых долей ангстрема.Расширение областей исследований в указанном диапазоне требует непрерывного расширения номенклатуры высокоточных устройств оборудования электронной техники, работающих в условиях вакуума и используемых для прецизионного перемещения, термокомпенсации, выполнения технологических операциймикро- и наноэлектроники.Объектом исследования являются многослойные электромеханические преобразователи микроперемещений на основе пьезоэффекта (актюаторы и датчики),используемые в оборудовании и приборах электронной техники.Предметом исследования являются современные аналитические и численные методики расчета статических и динамических характеристик элементов оборудования и приборов электронной техники с многослойными пьезопреобразователями и учетом действия температуры и пьезоэффекта.Цель работы – разработка и исследование многослойных пьезопреобразователей, обладающих более высокими эксплуатационными характеристиками посравнению с существующими аналогами для решения задач микроперемещений итермокомпенсации в устройствах оборудования электронной техники в условияхих интенсивной эксплуатации и создание методик их расчета с применениемуравнений теории упругости и численного метода конечных элементов.При этом решались задачи:1.

Анализ перспективных направлений применения пьезоустройств в оборудовании электронной техники. Изучение существующих методик определениястатических и динамических характеристик пьезопреобразователей аналитическими, численными и экспериментальными методами. Разработка расширенной8классификации пьезоустройств с элементами переменной жесткости. Аналитический обзор пьезопреобразователей, применяемых в оборудовании электроннойтехники.

Поиск направлений оптимизации пьезопреобразователей и улучшенияих эксплуатационных характеристик.2. Изучение аналитических и численных методов решения задач прямого иобратного пьезоэффектов. Освоение метода конечных элементов для расчета деформаций при обратном пьезоэффекте. Разработка методики температурной аналогии пьезоэффекта.3.

Разработка методики расчета многослойных пьезоустройств электроннойтехники численным методом конечных элементов на основе разработанных аналитических методик расчета данных конструкций, использующих классическиеметоды теории упругости и теории механических колебаний с сопоставлением ианализом результатов, полученных различными методами, включая метод натурных испытаний.Методы исследования. В работе использованы методы теории упругости итеории механических колебаний с учетом пьезоэффекта, численные методы моделирования, методы планирования эксперимента и натурные исследования.Достоверность результатов подтверждается высоким уровнем согласованности результатов, полученных различными методами (численными, аналитическими и экспериментальными) и корреляцией результатов с известными литературными данными.Научная новизна работы.1. Разработана методика расчета пьезопреобразователей на основе температурной аналогии обратного пьезоэффекта.

Корректность методики подтвержденачисленными и экспериментальными исследованиями для ряда устройств и расчетом в программах, учитывающих обратный пьезоэффект.92. Разработана методика численного моделирования для определения оптимального соотношения толщин слоёв пьезоприводов устройств оборудованияэлектронной техники с целью получения максимальной чувствительности в квазистатическом режиме.3. Разработана аналитическая модель трубчатых пьезоактюаторов для зондовой микроскопии с произвольным числом слоев, секций электродов и участковпо длине. Модель была реализована в компьютерной программе, а результаты показали хорошую согласованность с результатами конечно-элементного моделирования.4.

Разработана методика оценки чувствительности многослойных планарных моделей пьезорезонаторов вибрационных гироскопов.Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены: в научно-исследовательских работах на предприятии ФГБНУ «НИИ ПМТ»;в производство оптических резонаторов на предприятии ФГУП «НИИ Полюс»им.

М.Ф. Стельмаха. Также ряд результатов исследований включен в состав лабораторных и практических работ для студентов кафедры Электроники и наноэлектроники МИЭМ НИУ ВШЭ, в курсовое проектирование по дисциплинам «Моделирование механических систем», «Моделирование технических систем», «Моделирование оборудования и технологических процессов электрофизических методов обработки», «Моделирование оборудования и технологических процессов»специальности «Электронное машиностроение».Практическая значимость работы.1. На основе разработанных методик достигнуто увеличение чувствительности многослойных пьезопреобразователей за счет оптимизации их геометрических параметров, выполнена компенсация температурных деформаций узлов оборудования электронной техники с помощью пьезопреобразователей. Полученныев работе результаты позволяют повысить разрешающую способность устройств и10увеличить коэффициент преобразования входных сигналов в полезные перемещения.

Результаты показали хорошую согласованность с экспериментальными данными с погрешностью не более 10%.2. Разработана и исследована многослойная модель пьезосканера сканирующей микроскопии с двумя секциями активных элементов, принимающая в процессе работы S-образную форму и определены оптимальные параметры данногоустройства, выравнивающие положение иглы зонда и стабилизирующие его плоскопараллельное движение относительно исследуемой поверхности.3. Проведена разработка и исследование нескольких математических моделей пьезоэлектрических датчиков угловой скорости, обладающих высокими значениями чувствительности и стабильности режима колебаний за счет увеличенияамплитуды первичных и вторичных колебаний путем сближения резонансных частот.

Увеличение амплитуды первичных и вторичных колебаний производилосьза счет оптимизации геометрических параметров чувствительного элемента, размеров и формы поперечного сечения подвески, сочетания различных мод колебаний.4. Разработаны термокомпенсированные конструкции пьезокорректоров,сохраняющих оптический периметр в заданном интервале температур.На защиту выносятся следующие научные положения:1.

Оригинальная методика расчета напряженно-деформированного состояния пьезоэлектрических устройств на основе температурной аналогии обратногопьезоэффекта, позволяющая упростить алгоритмы расчёта и использовать экономные вычислительные ресурсы.2. Результаты анализа напряжённо-деформированного состояния моделейпьезоэлектрических устройств, построенных с применением технологии температурной аналогии в компьютерной системе APM WinMachine.3. Новая методика оптимизации толщин слоев двухслойных пьезоприводовпо критерию максимума передаточной функции, позволяющая синтезировать11устройства с минимальным управляющим напряжением или максимальным рабочим ходом.4.

Обобщенная методика расчета напряженно-деформированного состоянияпьезопреобразователей многослойной структуры с произвольным количествомслоёв и участков переменной жесткости, позволяющая произвести учёт соединительных слоёв в многослойных структурах и, как следствие, повысить взаимосоответствие результатов теоретического расчета с экспериментальными даннымина 10-15%.5. Новая физико-математическая модель трубчатого пьезосканера изгибноготипа, позволяющая сохранить ортогональность зонда и плоскость сканирования вполном диапазоне перемещений, что расширяет метрологические возможностисканирующей зондовой микроскопии и снижает вычислительные затраты на последующую обработку результатов.6.