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

Изготовление образцов, ихтеоретическое и экспериментальное исследование, а также анализ полученныхрезультатов, проводились лично автором или совместно с соавторами.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений ибиблиографического списка, включающего 90 наименование.

Диссертациясодержит 155 страницы машинописного текста, включая 80 рисунков и 4 таблицы.14ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОДАННОЙ ПРОБЛЕМЕ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙВ МИРОВОЙ НАУКЕ1.1 Аркообразные балки как механический бистабильный элементмикросистемной техники (МСТ)Развитее технологии полупроводниковой техники и, в частности, технологииинтегральнойобработкикремния,привелокстановлениюнаправлениямикросистемной техники (МСТ).

В рамках данного направления рассматриваютсятехнологические и конструктивные особенности микроэлектромеханическихсистем (МЭМС), предназначенных для преобразования электрической имеханической энергий. Основным элементом МЭМС является упругий подвес ввиде балок и мембран [1].

Преимущественное внимание уделяется обеспечению исохранению данными элементами линейного поведения. Линейность поведениясистемы позволяет обеспечить лёгкое, контролируемое преобразование энергии вдатчиках и исполнительных механизмах [2]. Для поддержания линейныхмеханических свойств применяются как конструкционные методы, использующиеособенности геометрических связей, так и технологические методы, использующиевнутренние свойства структурных слоёв [3]. Основной причиной, приводящей кделинеаризации поведения микромеханической системы, являются внутренниемеханическиенапряжения,возникающиекаквпроцессеформированияструктурных слоёв под воздействием различных факторов, так и при механическомвоздействии. При этом за счёт малых размеров упругой системы, влияниевнутренних механических напряжений может быть радикальным и превалироватьнад влиянием изгибных деформаций. Особое внимание уделяется потеремеханической устойчивости осаждённых тонких плёнок, возникающей за счётсжимающих внутренних напряжений и приводящей к невоспроизводимостимеханических характеристик приборов, к изменению формы устройства, а также крастрескиванию и отслаиванию плёнок от подложек [4].

Термин «потерямеханической устойчивости» был впервые введён швейцарским математиком15Леонардом Эйлером более чем два века назад. Данное определение связано снеустойчивым поведением механической системы, возникающим при монотонновозрастающей сжимающей аксиальной нагрузке (рис. 1.1а). В общем случае даннаязадача сводится к определению действующих на механическую системукритических величин сил и определению конечных геометрических форм, которыепринимает данная механическая система после потери устойчивости (рис.

1.1б).Стоит отметить, что теоретически предсказанная вторая и более высокие формыпотери устойчивости являются нестабильными вследствие более высокого уровняпотенциальной энергии.абРисунок 1.1 – Схема нагрузок при потери устойчивости (а) и формы потериустойчивости (б)В последнее десятилетие внимание, уделяемое линейным устройствам МСТ,уступило интересу к устройствам на основе нелинейных элементов жёсткости. Этообусловлено возможностью расширения частотного диапазона резонансныхсистем и формирования мультистабильных систем на их основе.

Исследования вданнойобластинаправленынапрактическоеиспользованиевысокойчувствительности МЭМС к внутренним механических напряжениям, вплоть докритических напряжений, приводящих к потере механической устойчивости.Поведениеподобногоэлементажёсткостинеможетбытьописаносиспользованием линейных уравнений упругости и требует учёта нелинейныхчленов. Особое внимание уделяется аркообразным подвесам, профиль которыхопределяется формой потери устойчивости и обуславливает нелинейныемеханические свойства системы. Нелинейность таких подвесов вызвана резкимвозрастанием аксиальной нагрузки при действующей на балку или мембрану16поперечной нагрузке.

Подобная структура имеет два минимума механическойэнергии и точки бифуркации (точки А, B и С соответственно на рис. 1.2а),обусловленные потерей устойчивости, то есть обеспечивает наличие двухстабильных состояний, вблизи которых возможны линейные колебания (рис. 1.2б).абРисунок 1.2 – Характеристические зависимости аркообразного упругогоэлемента: а) энергетическая зависимость аркообразной балки от перемещенияцентральной точки; б) фазовое пространство аркообразной балкиВ большинстве случаев механическая потеря устойчивости микроструктуры,вызванная ее внутренними напряжениями, приводит к неконтролируемомуизменению параметров системы [2]. С другой стороны, упругий элемент,изготовленный с предопределенной арочной формой, позволяет системеподвергаться большому смещению через «перещёлкивание», что являетсяважнейшим свойством арочных элементов жёсткости. Действие на аркообразнуюбалку поперечной нагрузки приводит к возрастанию аксиальной нагрузки и роступотенциальной ямы, определяющей стабильные состояния такой механическойсистемы.

Другими словами, изначальный профиль аркообразной балки и внешниеиливнутренниепродольныенагрузкиявляютсяключевымифакторами,определяющими характер поведения и нелинейные свойства аркообразной балки.Технологические особенности изготовления нелинейных механическихструктур с проявлением в них потери устойчивости определяются необходимостьюобеспечения контроля формы профиля упругого элемента и величины его17внутренних напряжений. Разделяют две основные технологии изготовления,основанные на поверхностной и объёмной микрообработке.

Так, аркообразныйупругий элемент может быть изготовлен по поверхностной технологии, используяпотерюустойчивостииз-запродольныхвнутреннихнапряженийилибиметаллического эффекта. При этом сформированная структура образуетаркообразный профиль, выходящий из плоскости подложки (out-of-plane) [5].Такие упругие элементы называют напряжёнными арками. В тоже время,аркообразные балки могут быть изготовлены с литографически предопределеннойформой профиля. Такие упругие элементы называют предопределёнными арками.Этот метод получил большое распространение благодаря возможности напрямуюконтролировать изначальную форму балки, но ограничивается формированиемструктур в плоскости.1.2 Применение аркообразных упругих элементовАрки или изогнутые балки чаще всего рассматриваются в качестве элементовбистабильных системам. В данном случае бистабильные системы используютдеформацию упругого элемента для хранения и высвобождения энергии в двухразличных устойчивых положениях.

Это означает наличие двух устойчивыхположений, вокруг которых возможны колебания. Такие аркообразные упругиеэлементыформируют«защелкивающиеся»(“snap-through”)структуры,обладающие несколькими устойчивыми состояниями. Кроме того, особенностинелинейной зависимости силы упругости данных балок позволяют увеличитьдиапазон смещений, в том числе в электростатических приводах с переменнымзазором, за счет проявления эффекта втягивания (pull-in). Такой расширенныйдиапазон делает их пригодными для различных применений, таких какмикроклапаны [6]; микроактюаторы [7]; микропереключатели [8]; радиочастотныепереключатели и фильтры [9] и многое другое (примеры на рис.

1.3). В последниегоды большое внимание уделялось разработке переменных энергонезависимыхемкостных компонентов. Конденсатор с памятью (memcapacitor) основан наэлектромеханической структуре, предложенной в [10], обладающей свойствомполиморфизма. Внешнее напряжение управления определяет дискретные значения18емкости конденсатора. Дополнительной особенностью такого устройства являетсяспособностьвыполнятьлогическиеоперации,определяемыеамплитудойуправляющей нагрузки. Разработка концепции механической памяти в настоящеевремя является актуальной задачей [11].aаbбРисунок 1.3 –) Примеры МСТ устройств, основанных на )потере механическойустойчивости: а) элемент механической памяти [11]; б) микрореле [8]Герсон и др.

[12, 13] разработали и изготовили мультистабильныйэлектростатический микроактюатор, для чего был сформирован каскад изпоследовательно соединённых арочных структур для увеличения перемещения.Эти устройства включали в себя два оппозитно работающих привода сэлектростатическим возбуждением. Независимая активация каждой ступениисполнительного механизма позволила достигнуть значительного для устройствМСТ смещения (80 мкм) при напряжении срабатывания 30 В. Кванг и др.

[14]разработали конструкцию бистабильного магнитного плоского актюатора,используя его в качестве реле с постоянной памятью.Разработке МЭМС приводов и изучению принципов возбуждения арочныхподвесов посвящено множество исследований. Так для формирования нагрузкимогут применяться различные приводы: магнитный [14]; термический [15];пьезоэлектрический [16] и электростатический [17, 18]. Приводы, использующиеэлектростатическое возбуждение, являются одними из наиболее распространённыхобъектов исследования, где электростатическая сила формирует распределённуюили концентрированную в центральной точке нагрузку.