Диссертация (Разработка и исследование пьезопреобразователей для устройств прецизионного перемещения в оборудовании и приборах электронной техники), страница 9

В то же время, зависимость производительности от обратногодавления носит обратно пропорциональный характер – чем выше обратное давление, тем ниже производительность.Вработе[28]представленырезультатыисследованияклапанногопьезоэлекрического микронасоса. Микронасос состоит из двух стеклянныхпластин с кремниевым диском между ними, см. рисунок 1.19 [28].53Рисунок 1.19 – Общий вид пьезоэлектрического микронасоса [28]Кремниевая основа, изготовленная методом травления, является одним изосновных элементов насоса. Она содержит впускной и выпускной клапаны, атакженасоснуюкамеру.Верхняястекляннаяпластинаиграетрольчувствительной мембраны.

Она позволяет изменять объем камеры спомощьюпьезодиска, закрепленного на ее верхней поверхности. При приложениинапряжения к пьезодиску мембрана прогибается вниз и жидкость выталкиваетсячерез выпускной клапан. Когда напряжение равно нулю, мембрана возвращаетсяв исходное положение и насос всасывает жидкость через впускной клапан.Макроскопический прототип подобного устройства имеет диаметр 75 мм итолщину 2 мм.

Давление на выходе насоса составляет от 0,2 бар до 0,4 бар (от20,0 до 40,0 кПа). Производительность насоса при напряжении 300 В составляетоколо0,6мл/мин.Микронасоспозволяетосуществлятьвысокоточноедозирование жидкости с разрешением до 0,2 мкл. Однако прокачивать подобнымнасосом можно только фильтрованные жидкости, поскольку частицы загрязнениймогут забить клапаны и привести к выходу микронасоса из строя [28].Для работы в условиях агрессивных жидкостей и газов, а также для непрерывной прокачки используются перистальтические пьезонасосы.Перистальтический микропьезонасос – система тонких пластин с расположенными на них пьезоэлементами, периодически пережимающими эластичную трубку с рабочим телом. Величиной и фазой напряжения на пьезоэлементах управляет специальная электронная плата, интегрированная с пьезонасо-54сом.

В результате создается бегущая волна деформаций, энергия которой передается поступательному движению рабочего тела (жидкости или газу). Форма волны и рабочий объем зависят от напряжения, подаваемого на каждый пьезоэлемент. Производительность микронасоса определяется частотой, амплитудойи соотношением фаз питающего напряжения.Перистальтические пьезонасосы по признаку формы можно разделить, в целом, на две группы – линейные и кольцевые.В первом варианте перистальтического пьезонасоса бегущая волна (или несколько волн с определенной разностью фаз) изгибных деформаций распространяется вдоль длины линейной насосной камеры.

Подобный вариант устройствапредставлен в работах [90, 91, 92]. В статье [90] представлен перистальтическийнасос на основе двух прямоугольных пластин с прямоугольными пьезоэлементами. Производительность насоса в [90] составляет 118 мкл/мин при работе на четвертой частоте изгибных колебаний, равной 50 кГц; обратное давление составляет940 Па, напряжение 200 В. Также, в ряде источников, к перистальтическим относят пьезонасосы с последовательностью насосных камер, в которых управляющиепьезоэлементы играют роль активных клапанов, например, [93].

Рабочая частотаподобных насосов на три порядка ниже и составляет десятки Гц [93]. Подобныйнасос обладает максимальной производительностью 3 мл/мин при управляющемнапряжении +100 В с частотой 50 Гц.В патенте [94] представлена конструкция пьезоэлектрического вакуумногонасоса. Основной частью насоса является диафрагма, состоящая из двух металлических пластин, соединенных между собой по контуру с помощью микросваркиили герметичного клея и закрепленная на основании из стеклопластика (рисунок1.20).

На внутренние поверхности металлических пластин нанесен слой меди иблагородного металла (золота или серебра) для снижения коррозии и обеспечениягерметичности соединения.На наружной поверхности верхней пластины методом ультразвуковой пайки закреплен ряд биморфных пьезоэлементов. Пьезоэлемент состоит либо из одного слоя пьезокерамики, закрепленного на гибкой металлической пластине, либо55из двух слоев пьезокерамики со встречной поляризацией с расположенной междуними металлической пластиной.а)б)Рисунок 1.20 – Схема пьезоэлектрического вакуумного насоса:а) – изометрический вид, б) – схема последовательного возбуждения(продольное сечение)Подача напряжения на отдельный биморфный элемент вызывает локальныеизгибные деформации верхней части диафрагмы, изменяя таким образом объемполости диафрагмы, расположенной под активированным пьезоэлементом.Устройство также содержит схему последовательной активации пьезоэлементов для обеспечения непрерывной прокачки газа через диафрагму – от входного отверстия до выпускного.Предложено несколько вариантов конструкции – с предварительно образованной полостью и без нее, с возбуждением одного или пары биморфных пьезоэлементов.В ходе работы вертикальное перемещение локальной области мембраны составляет около 40 мкм.Предложенные конструкции пьезоэлектрических вакуумных насосов могутбыть изготовлены с применением стандартных технологий производства печат-56ных плат, что позволяет существенно снизить их стоимость.

Кроме того, вследствие крайне низкой интенсивности отказов механизма преобразования и твердотельной электроники, вакуумные насосы очень надежны. Также, вследствие того,что биморфные пьезоэлементы являются единственными движущимися частяминасоса и совершают перемещения крайне малой амплитуды, предложенный вакуумный насос работает практически бесшумно и без вибраций, что позволяет применять его в высокоточных приложениях.Во втором варианте перистальтического пьезонасоса бегущая волна (илинесколько волн с определенной разностью фаз) распространяется в кольцевом резонаторе на основе дисковых пьезоэлементов. Подобный вариант насоса представлен в работах [95, 96].

Так, в работе [95] бегущая волна деформаций распространяется в горизонтальной плоскости на границе кольцевого пьезорезонатора иподложки, а в работах [95, 97] бегущая волна деформаций распространяется вдольбоковой поверхности кольцевого резонатора. Производительность насоса, предложенного в работе [95] составляет 3 мл/мин, наибольшее давление 1110 Па.Производительность насоса, представленного в работе [96] составляет 595мкл/мин, максимальное обратное давление 0,88 кПа, напряжение 130 В.

В работе[97] представлен перистальтический насос, имеющий производительность 580мкл/мин при давлении 0,85 кПа, напряжении 150 В на частоте 57 кГц.Производители серийных пьезоэлектрических микронасосов: Dolomite,Bartels (серия mp5,mp6), PI, thinXXS Microtechnology AG (серия MDP2205).В главе 3 настоящей работы представлены аналитические и численные исследования перистальтических пьезонасосов на основе многослойных пьезоприводов прямоугольной формы.571.2.6. ПьезокорректорыПьезокорректор – пьезоэлектрический привод, служащий для компенсациимикроперемещений, возникающих в результате температурных или механическихвоздействий в оптических резонаторах лазерных гироскопов, интерферометров ит.п.

[10, 98].Основная область применения пьезокорректоров – системы активной регулировки оптического периметра лазерных резонаторов. Пьезокорректор в такихсистемах компенсирует изменение оптического периметра при нагревании корпуса резонатора, что позволяет избежать потерь энергии излучения вследствиенарушения резонансного режима. Конструктивно пьезокорректор представляетсобой сборку пьезопривода и корпуса «зеркала», имеющего мембрану с зеркальным покрытием в центре внешней части. Корпус «зеркала» изготавливается изматериалов с низким ТКЛР – кварца, ситалла, материала Церодур, допускающихвозможность установки его на поверхность резонатора с помощью клеев или оптического контакта. Пьезопривод в большинстве случаев изготавливается сборным из пьезокерамики и промежуточных упругих, адгезионных и токопроводящих слоев.Основными характеристиками пьезокорректора являются величина максимального хода, линейность зависимости перемещение-напряжение, рабочий диапазон температур.

Перемещение пьезокорректора составляет единицы микрометров при напряжениях от нескольких десятков вольт до 300 В.Основными разработчиками пьезокорректоров являются как фирмы, производящие пьезопреобразователи различных видов – PI [99], ОАО «НИИ ЭЛПА»[14], так и фирмы, занимающиеся производством оптических резонаторов: дляинтерферометров и гироскопов: ФГУП «НИИ “Полюс” им.

М.Ф. Стельмаха»,Россия [98], Litton Systems, США [100], Honeywell InternationalInc., США [101],SEXTANT Avionique, Франция [102] и другие.58В качестве активных элементов в пьезокорректорах используют пьезостеки(напрямую или с применением механизмов амплитудного усиления или преднапряжения), а также дисковые пьезоэлементы.

При этом зеркало, как правило,располагается на упругой мембране в нижней части пьезокорректора. Использование промежуточной упругой мембраны позволяет снизить эффект от тепловойнестабильности пьезопривода.Рассмотрим несколько конструкций пьезокорректоров, представленных влитературе.В патенте [102] инженера Р. Легранда из фирмы SEXTANT Avionique предложен пьезокорректор с мембранным приводом (рисунок 1.21).Пьезокорректор закреплен на оптическом блоке 1, имеющем оптическуюполость, внутри которой происходит генерация лазерного излучения.

Пьезокорректор состоит из двух упругих мембран 2 и 3, соединенных между собой и с блоком 1 методом молекулярной адгезии (оптическим контактом) или другим аналогичным способом. На нижней поверхности нижней мембраны нанесено зеркальное покрытие 7. В верхней части верхней мембраны закреплен пьезопривод, состоящий из круглой пластины 4 с двумя пьезодисками 5 и 6 разного диаметра ипредназначенный для компенсации температурной деформации корпуса 1.

Приподаче напряжения на пьезопривод, он изгибается и оказывает давление на упругие мембраны 2 и 3, приводя к перемещению зеркала 7 в вертикальном направлении на величину до нескольких микрометров.Рисунок 1.21 – Мембранный пьезокорректор [102]59В каталоге продукции ОАО «НИИ ЭЛПА» [14] представлены пьезоэлектрический корректор КП-1, предназначенный для обеспечения прецизионного перемещения с нанометровой точностью в оборудовании фото-, рентгено- и электронолитографии для точного совмещения шаблонов; в лазерно-оптических системахдля корректирования луча и регулировки его мощности. Корректор имеет диаметр52 мм, высоту 14 мм, массу 150 г; позволяет получить максимальный ход 5 мкмпри напряжении 230 В (зависимость линейная), и работает в диапазоне частот от 5Гц до 1 кГц. Интервал рабочих температур составляет от минус 60 °С до +70 °С.Пьезокорректорам посвящены ряд патентов [100, 101, 102, 103], статей [104]и обзоров [98, 10], серийные устройства включены в каталоги [14,99].В главе 3 настоящей работы представлено исследование пьезокорректорарезонатора лазерного гироскопа, проведенное совместно с АО «НИИ “Полюс” им.М.Ф.