Отзыв 2 оппонента (Разработка и исследование пьезопреобразователей для устройств прецизионного перемещения в оборудовании и приборах электронной техники)

отзыв на диссертацию Матвеева Егора Владимировича на гему: «Разработка и исследование пьезопреобразователей для устройств прецизионного перемещения в оборудовании и приборах электронной техники>> представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 0527.06 — Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники Представленная к защите диссертационная работа рассматривает широкий круг вопросов эффективного использования пьезопреобразователей в приборах электронной техники, которые получают все большее и большее применение. К пьезопреобразователям, используемым в микроэлектронике, предъявляются высокие требования в части обеспечения точности выходных характеристик.

Все преобразователи, рассмотренные в диссертационной работе, рассчитаны на генерацию прецизионных перемещений, полученных за счет применения пьезоэлементов, находяпшхся в переменном электростатическом поле. Рабочие диапазоны рассматриваемых перемещений варьируются в пределах от нескольких ангстрем до сотен микрометров. Границы допустимости линейной точности в отдельных случаях ограничены долями аигстрема. В этой связи необходимо отметить„что ни один вз известных на настоящий момент механических преобразователей не может обеспечить малые перемещения, о которых пойдет речь, тем более с таким допуском. С помощью пьезоэлементов, помещенных в электрическое поле, можно получить малые и сверхмалые перемещения.

Это явление эффективно используется при проектировании ряда устройств и приборов, таких как микронасосы, клапаны, натекатели, пьезосканеры, миркоколлекторы лазерные гироскопы и т.п. В диссертационной работе такое объекты были рассмотрены с целью разработки методов и средств их инженерного анализа. Полученные в ней теоретические и численные решения интересны прежде всего с практической точки зрения. В основу методов инженерного анализа положены методы физического, геометрического и математического моделирования. В диссертационной работе подробно рассмотрены вопросы прогнозирования параметров выхода при деформировании пьезоэлементов.

Дело в том, что малые по величине удлинения либо укорочения пьезоэлементов могут быть практически важными только в том случае, если сопряженные с ними конструктивные элементы проектируемого устройства обеспечивают необходимые выходные характеристики, как линейные, так и угловые. Понятно, что в рамках одной работы нет возможности рассмотреть все конструктивные решения, но„тем не менее, в диссертации сформулированы методы и средства решения всех без исключения подобных задач.

На начальном этапе исследования анализируются простейшие конструктивные схемы использованы пьезоэлементов, на примере различных устройств, таких как: ° многослойные пьезоактюаторы прямоугольной формы; ° многослойные дисковые пьезопреобразователи; ° трубчатых пьезопреобразователнй; ° прямоугольных пьезоприводы. Для базовых геометрических пьезоэлементов определены основные зависимости, связывающие нх геометрические размеры и механические и электрические параметры, характеристики электрического поля и механические и термоупругне параметры материалов.

Аналитические и численные решения в этом случае можно получить, используя уравнение закона Гука в матричной форме. Поля перемещений определяются методами теории упругости в линейной постановке и дополнены электрической составляющей, так что закон Гука записывается автором в следующем виде; (в) = Я( й + И(Е1 + (аИТ, В итоге получается смешанная мульти физическая задача определения механических, тепловых и электрических деформаций.

Поскольку электрическая компонента аналогично тепловой линейна, то механическое воздействие нестационарных электрических полей можно заменить эквивалентнымн температурными деформациями. Решение задач деформирования при этом существенно упрощается, для простейпшх конструктивных схем при этом можно получать даже аналитические зависимости, Если же речь идет о произвольной конструктивной схеме, то поля перемещений и напшпкеиий можно определять численно с использованиям существующих пакетов прочностного анализа. Важным условием использования терм один амичес кой аналогии является возможность замены электротехнических параметров пьезоэлемента н механических параметров материалов нх термомеханическими характеристиками.

Метод эквивалентных аналогий не нов. Он ппгроко используется в технике, но применительно к описанным задачам такие аналогии используются впервые, что, несомненно, является заслугой автора. В работе корректно найдены эквивалентные аналогнн, что позволяет существенно уменьшить объем вычислений н ограничиться расчетами механических параметров, В диссертационной работе для выполнения всей гаммы необходимых вычислений задач прочности и жесткости использовалась отечественная система конечно- элементного-анализа АРМ ФшМасЫпе. Ее применение помогло выполнить необходнмые вычислення с целью анализа напряженно-деформированного состояния как в статике, так н в условиях динамического внешнего нагружения.

Оценка точности отдельных контрольных решений проверялась с помощью процедур параллельных вычислений: аналитическими методами, сравнительными решениями в системах АЖЗУВ н АРМ ФшМасЫпе. Кроме того, помимо теоретических н численных решений при выполнении диссертации была проделана огромная экспериментальная работа. Не буду останавливаться на отдельных испытаниях, могу констатировать, что приведенные в диссертации результаты тестовых испытаний показали близкие значения.

Такие сравнительные данные убеждиот в том, что в диссертационной работе созданы надежные методы„достоверность которых не вызывает сомнений. Можно также утверждать, что при выполнении исследований по заявленной тематике диссертант получил бесценный практический опыт работы с разными САЕ— продуктами. Этот опыт показал, что по соотношению цена/качество и критерию простоты подготовки расчетных моделей наиболее приемлемым является программный продукт АРМ ЖшМасЫпе, разрабатываемый российской компанией НТЦ кАПМв. Коммерческая версия этого продукта была эффективно использована автором для выполнения расчетных процедур, Помимо анализа статических величпн в диссертационной работе рассмотрены вопросы динамики.

Динамические расчеты сводились к анализу собственных частот механических колебаний для определения резонансных частотных зон. Зоны резонанса в общем случае недопустимы, и по этой прнчнне выявление частот резонанса крайне важная процедура. Однако в отдельных случаях резонансные явлення позволяют увеличить величины п ереме щенпй, что наряду с вопрос амн параметрической оптимизации оказывается крайне полезнцм. В заключение перечислим те задачи, которые былн решены автором диссертационной работы: 1.

Созданы аналитические и численные методы расчета статической прочности и жесткости многослойных пьезоэлектрических приводов прямоугольной, дисковой и трубчатой форм. Предложенные методы легли в основу реализации процедуры оптимизации по критерию обеспечения амплитуды микро перемещений либо по температурному критерию в случае термокомпенсации и т.д. С использованием предлагаемых методов оптимизированы модели пьезогироскопов, пьезосканеров и микронасосов, 2, Созданы и экспериментально проверены методы расчета чувствительности резонаторов пьезоэлектрических датчиков угловой скорости, что представляет существенный научный интерес.

Рассмотренные датчики за счет оптимизации более точные по сравнению с зарубежными образцами. 3. Исследования, проведенные для перистальтических пьезонасосов, позволилн обеспечить непрерывность потока перекачиваемой среды при строгом выполнении точности дозирования путем создания режима возбуждения за счет образования бегущей волны. 4. В диссертационной работе предложена методика расчета пьезопреобразователей многослойной структуры с произвольным количеством слоев и разработаны методы анализа сопряженных поверхностей. Такие решения удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов. 5.

Новым конструктивным решением является модель трубчатых пьезоприводов изгибного типа для сканирующей зондовой микроскопии, позволяющих осуществлять плоскопараллельное перемещение зонда. Такие конструктивные решения имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными компоновками. б. Разработаны конструктивные решения и определены удовлетворительные параметры термокомпенсированных пьезокорректоров и оптических резонаторов.