Автореферат (Исследование потери устойчивости для нелинейной микромеханической структуры), страница 3

Исследование включает всебя как аналитическое описание поведение данных систем, так и его численноемоделирование в программной среде COMSOL Multiphysics.В ходе теоретического анализа было подтверждено утверждение о высокойасимметрии переходных точек упругих сил балок, что говорит о малой глубиневторого потенциального минимума и малой устойчивости второго стабильногосостояния. Было определено, что отношение осевой и поперечной упругих силарочного подвеса определяет устойчивость системы во втором стабильномсостоянии.

Это соотношение QCR может быть выражено как отношение высотыарочного прогиба h к толщине балки t. Так, при увеличении толщины балки присохранении высоты арочного прогиба глубина минимума потенциальной энергииподвеса уменьшается, и линеаризуется.Врамкахэкспериментальногоисследованиябылопроведенотехнологическое моделирование с изготовлением прототипов аркообразныхупругих структур (рис. 3а, 3б). Нелинейное статическое поведение приассиметричных формах переходов, соответствующих второй форме потеримеханической устойчивости, определялось на структурах, состоящих изаркообразной балки и двух неподвижных электродов («Up» и «Down») (рис.

3а).Такое поведение для симметричных форм переходов, соответствующих третьейформе потери механической устойчивости, определялось на структурах,состоящих из двух параллельно объединённых аркообразных балок (рис. 3б).Рисунок 3 – РЭМ-изображение прототипа аркообразных структур (а) и структур спараллельным объединением аркообразных балок (б): толщиной 70 мкм с длинной балки 1,5 ммДля подтверждения критериев линеаризации были определены величиныэлектрических напряжений, при которых происходил скачкообразный переход.Силы реакции нелинейного подвеса определялись путём пересчёта управляющего13напряжения, исходя из параметров электростатической системы привода. Дляупругой системы с высоким значением QCR результаты моделирования ианалитической оценки хорошо согласуются с результатами эксперимента.

В ходепредставленных в данной главе исследований были выявлены следующиекритерии устойчивости нелинейных микромеханических систем:- снижение отношения QCR ниже значения 3.4 : 1 приводит к сглаживаниюпотенциальной ямы в области второго стабильного состояния;- проявление несимметричных форм потери устойчивости приводит клинеаризации потенциальной энергии балки уже при значении вышеназванногоотношения 4.5 : 1;В работе приведён метод снижения пороговых нагрузок перехода междуустойчивыми состояниями аркообразных упругих структур с высоким значениемQcr. Данный метод основан на снижении продольных сил при смещении упругогоподвеса.

Результаты экспериментального исследования переходных процессовпоказали снижение управляющего напряжения, при котором наблюдалсяскачкообразный переход, практически в два раза.Исходя из полученных результатов теоретического и технологическогомоделирования, было определено, что для увеличения устойчивости второгостабильного состояния необходимо: увеличение отношения продольных ипоперечных сил; снижение вращательных моментов. Это может быть достигнутопутём модуляции толщины профиля балки, приводящего к локальномуувеличению жёсткости. Были изучены различные функции такой модуляции какгладкой, так и прямоугольной функциями. На рис. 4 представлен результатчисленного расчета силы реакции арочных структур.Рисунок 4 – Результаты численного моделирования силы реакции аркообразной балки: соднородной толщиной профиля; с модуляцией гладкой и прямоугольной функциейДля проведения экспериментального исследования бистабильного привода сприменением локального увеличения жёсткости были изготовлены тестовыеобразцы кремниевых актюаторов.

Измеренные перемещения и действующие силыреакции упругого подвеса показаны на рисунках 5а и 5б. Результаты эксперимента14показали хорошую согласованность с аналитической зависимостью и численноймоделью аркообразных упругих подвесов.Рисунок 5 – Зависимость силы от перемещения и переходной процесс для аркообразной балки:с однородной толщиной профиля (а); с переменной толщиной профиля (б)Использование переменного профиля балки (увеличение жёсткости вцентральных областях плеч балки) позволило добиться увеличения относительнойглубины потенциальной ямы, при этом модуляция прямоугольной функциейпозволяет увеличить относительную глубину потенциальной ямы в 2 раза приповышении силы реакции балки, соответствующей переходу во второе устойчивоесостояние, в 1.4 раза (рис.

5б).Глава 4 содержит описание экспериментальных исследованийдинамического нелинейного поведения аркообразных подвесов, а также методовоптимизации управления переходом.Снижение управляющего напряжения может быть достигнуто применениемдинамических методов переключения. Для управления приводом используетсярезонансное увеличение сигнала, возбуждённого переменным напряжением сдобавлением постоянного напряжения смещения.В рамках исследования динамических параметров нелинейной системы былиопределены частотные характеристики прототипов привода, представляющегособой кремниевый резонатор.

Для обеспечения высокой добротности колебаний,актюатор помещался в вакуумную камеру. Экспериментально полученныехарактеристики (рис. 6) соответствуют теоретическим зависимостям, полученнымв ходе численного моделирования.15Рисунок 6 – Экспериментальные АЧХ и ФЧХ резонатора с нелинейными микромеханическимиструктурами: а – АЧХ и ФЧХ при разных значениях добротности; б – АЧХ при возбужденииколебаний постоянным и переменным напряжениемХарактер полученных частотных зависимостей показал возможность снизитьнапряжение управления при возбуждении колебаний переменным напряжением спостоянным смещением. Нелинейных характер колебаний резонатора позволяетвозбуждать его с частотой, удаленной от частоты собственных колебаний влинейной области. При отсутствии напряжения смещения вынужденные колебанияне приводят к значительному росту колебаний резонатора, как и напряжениесмещения не приводит к его переключению.Эксперимент показал, что применение динамического метода переключенияможет позволить снизить управляющее напряжение бистабильного реле примернов два раза.

Эта особенность нелинейных систем, основанных на потеремеханической устойчивости является ключевой для изделий микросистемнойтехники, требующих объединить большое смешение и статическое удержание.В заключении приведены основные научные и практические результатыработы.ЗАКЛЮЧЕНИЕ1Исследования упругих свойств напылённых плёнок показал рост дефектов вметаллических плёнках хрома и меди в ходе осаждения методами магнетронногонапыления. Рост дефектов может быть объяснён как режимами осажденияструктурных слоёв, так и морфологией поверхности жертвенного подслоя.2Формирование аркообразного профиля плёночных балочных структур можетбыть достигнуто путём технологического управления внутренними напряжениями.Основным фактором, определяющим величину внутренних напряженийтонкопленочных покрытий Cr и Cu, сформированных в ходе магнетронногоосаждения, является давление рабочего газа, при этом в диапазоне давлений аргонаот 1,5 до 3 мТорр происходит переход от сжимающих напряжений крастягивающим.163Теоретически обнаружено и экспериментально подтверждено, что снижениеотношения высоты арочного прогиба упругой балки к толщине её профиля нижезначения 3,4 : 1 приводит к сглаживанию потенциальной ямы в области второгостабильного состояния.

Экспериментально установлено, что потеря механическойустойчивости через несимметричные формы приводит к проявлению линеаризацииуже при значении вышеназванного отношения 5,1 : 1.4Разработанный и экспериментально проверенный метод повышенияотносительной глубины потенциальной ямы, позволил увеличить относительнуюглубину потенциальной ямы в два раза при повышении силы реакции балки,соответствующей переходу во второе устойчивое состояние, в 1,4 раза.5Экспериментально полученные АЧХ и ФЧХ резонаторов с аркообразнымиупругими микромеханическими структурами при возбуждении колебаний вразряженной среде показали, что повышение добротности нелинейныхрезонаторов при резонансном возбуждении приводит к существенномуувеличению скорости изменения фазы колебаний, однако возрастание амплитудыколебаний имеет ограничение.6Разработанная новая схема управления переходами нелинейноймикромеханической структуры с применением частотного возбуждения колебанийи смещением резонансной частоты постоянной нагрузкой, приводит кзначительномуснижениюнапряженияуправления.Экспериментальноустановлено, что повышение добротности резонатора увеличивает эффективностьданного динамического метода.7Разработанные конструкции и технологии поверхностных и объёмныхнелинейных микромеханических структур применены при изготовленииэнергонезависимыхоптоэлектромеханическихпереключателейдляширокополосной связи, контактных электромеханических реле для коммутациисигналов силовой электроники, вибрационных микромеханических гироскопов(датчиков силы Кориолиса) для малогабаритных бесплатформенныхнавигационных систем.

Результаты диссертационной работы использованы привыполнении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:– составная часть ОКР «Разработка и изготовление оптических модулей на основеоптических ключей, разветвителей и коллиматорных соединителей, выполненныхна базе объемной и поверхностной технологии микромеханики»;– cоставная часть НИР "Исследование возможности создания рядаэнергонезависимых модулей хранения информации, стойких к СВВФ, потехнологии LTCC";–ПНИЭР«Разработкаконструкцииитехнологиипроизводствамикромеханических чувствительных элементов для навигационных системповышенной точности» (ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным17направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020годы" (RFMEFI57815X0123)).Список работ, опубликованных по теме диссертации1.

Залевская В.А. Проектирование МЭМС-компонентов коммутационной техники/ Залевская В.А., Эннс П.Б., Эннс Я.Б., Фёдоров А.В., Шлеенкова Н.М. // Техникарадиосвязи. 2014. № 2 (22). С. 83-902. Эннс Я.Б. Использование бистабильных систем в микромеханическихгироскопах с гребенчатыми приводами / Эннс Я.Б., Клейманов Р.В., Казакин А.Н.,Пятышев Е.Н., Коршунов А.В. // В сборнике: «Наука и инновации в техническихуниверситетах» Материалы Десятого Всероссийского форума студентов,аспирантов и молодых ученых.

2016. С. 30-313. Эннс Я.Б. Моделирование вибрационных микромеханических гироскопов / ЭннсЯ.Б., Клейманов Р.В., Казакин А.Н., Пятышев Е.Н., Коршунов А.В. // В сборнике:«Наука и инновации в технических университетах» Материалы ДесятогоВсероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. 2016. С.

314. Enns Y. B. The development of a bistable microdrive for the micromechanicalgyroscopes / Y. B. Enns, R. V. Kleimanov, A. N. Kazakin, E. N. Pyatishev and A. V.Кorshunov // Journal of Physics: Conference Series, Volume 816, Number 1, 2017(https://doi.org/10.1088/1742-6596/816/1/012042)5. Эннс Я. Б. Разработка бистабильного микропривода для микромеханическихгироскопов / Я. Б. Эннс, А.

Н. Казакин, Р. В. Клейманов, А. В. Коршунов, Е. Н.Пятышев // Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- инаноэлектроника: тезисы докладов 18-й всероссийской молодёжной конференции,2016. C. 1356. Эннс Я.Б. Моделирование бистабильного микропривода первичных колебаниймикромеханического гироскопа / Я.Б.