Автореферат (1091100)
Текст из файла
На правах рукописиМАТВЕЕВ Егор ВладимировичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙДЛЯ УСТРОЙСТВ ПРЕЦИЗИОННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯВ ОБОРУДОВАНИИ И ПРИБОРАХ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИСпециальность: 05.27.06 – Технология и оборудование для производстваполупроводников, материалов и приборов электронной техники(технические науки)Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2017Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научномучреждении «Научно-исследовательский институт перспективныхматериалов и технологий» (ФГБНУ «НИИ ПМТ»).Научный руководитель:Виноградов Александр Николаевич,кандидат технических наук, доцентОфициальные оппоненты:Шелофаст Владимир Васильевич, доктортехнических наук, МГТУ им.
Н.Э.Баумана – Московский ГосударственныйТехнический Университет имени Н. Э.Баумана, профессор кафедры «Основыконструирования машин»Васин Владимир Анатольевич, кандидаттехнических наук, МАИ - Московскийавиационный институт (национальныйисследовательский университет), доценткафедры«Радиотехникаинанотехнологии»Ведущая организация:Южный федеральный университет (ЮФУ)Защита состоится «_28_» ___марта______ 2017 года в __16-30___ часов назаседании диссертационного совета Д 212.131.02 в Московскомтехнологическом университете (МИРЭА) по адресу: 119454, г.
Москва,Проспект Вернадского, д. 78.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскоготехнологического университета (МИРЭА) и на сайте https://www.mirea.ru/Автореферат разослан «»Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат физико-математических наук2017 г.Фетисов Л.Ю.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫИспользование современных вычислительных средств для проектирования и расчета оборудования и приборов электронной техники (ОПЭТ) является одной из наиболее острых и актуальных тем современной российскойнауки и технологии. Это связано с резко возросшими требованиями к точности, прочности и надежности конструкций ОПЭТ, в частности, для производства микро- и нанотехнологических изделий.
В настоящей работе представлены результаты исследований, которые подтверждают целесообразностьиспользования современных методов математического моделирования, в частности метода конечных элементов (МКЭ), для решения актуальных практических задач, связанных с расчетом многослойных пьезоэлектрическихпреобразователей (ПП), которые используются в системах прецизионных перемещений. В ходе исследований также разработаны практические методикирасчета ряда конструкций электронной техники, проверенные различнымиметодами – от аналитических до натурных экспериментов. Область исследований в основном ограничена исследованием механических свойств (напряженно-деформированного состояния) пьезоэлектрических и оптических узлов и приборов с учетом различных воздействий.Расширение областей нанотехнологических исследований требует непрерывного расширения номенклатуры высокоточных устройств, работающих в условиях вакуума и используемых для перемещения, прецизионногопозиционирования, а также для выполнения технологических операций микро- и наноэлектроники.
К данным устройствам предъявляются, помимо высоких функциональных характеристик, высокие требования к чистоте технологической среды и малому износу.Большинством этих качеств обладают ПП, принцип действия которыхоснован на явлениях прямого и обратного пьезоэффектов. Большая частьрассматриваемых в настоящей диссертации устройств (пьезокорректоры,пьезосканеры и микрогироскопы) используют в своей работе, в основном,обратный пьезоэффект (деформацию элементов под действием электрического поля) в качестве приводного механизма.
Явление прямого пьезоэффекта(возникновение заряда под действием механических напряжений) использу-3ется, наряду с обратным пьезоэффектом, только в одном классе рассматриваемых устройств – пьезогироскопах.Таким образом, большинство рассматриваемых в работе ПП являютсяпьезоприводами (пьезоактюаторами) и относятся к изгибному типу, поскольку данный тип ПП обладает большим (при прочих равных условиях) пьезоэлектрическим ходом среди всех других форм пьезоприводов.По сравнению с другими видами приводов (механическими, магнитодинамическими, магнитострикционными и др.) ПП способны обеспечить высокоточные перемещения в нано- и микрометровом диапазонах (от единицангстрем до единиц мм), обладают высоким разрешением, высокой точностью, позволяют обеспечить значительные усилия, не загрязняют технологическую среду и обладают малыми размерами и стоимостью. Кроме того, вних отсутствуют дополнительные кинематические связи, и для их использования нет необходимости в дополнительном оборудовании для обработки ипреобразования сигналов.ПП получили широкое распространение в ОПЭТ в качестве датчиков(сенсоров) и приводов движения (актюаторов), работающих в квазистатическом и динамическом режимах.
Подробный обзор ПП представлен в главе 1диссертации.С вопросами моделирования, разработкой и применением пьезоустройств в ОПЭТ связаны имена ряда отечественных ученых: Джагупов Р.Г.,Ерофеев А.А., Лавриненко В.В., Малов В.В., Смирнов А.Б., Панич А.Е., Богуш М.В., Бобцов А.А., Белоконь А.В., Быков В.А., Шарапов В.М. и др., атакже зарубежных ученых: Uchino K., Chen C.J., Jaffe B., Binnig G., UptonE.L., Tichy J., Nguyen N.-T., Bar-Cohen Y., Pan S. H., Ballas R.G., Allic H.,Jones D.J., Lee J.K., Lee C.-C., Zhao C., Reza Moheimani S. O., Zhang Z., PreszW., Yang J.S. и многих других.
Проведенные исследования в работах представленных выше авторов, позволили расширить функциональные характеристики ПП в ОПЭТ.Однако, в ходе эксплуатации реальных ПП, установленных в приборахи устройствах электронной техники, в условиях изменения температуры была отмечена необходимость учитывать температурные деформации, возникающие во всех слоях ПП – активных (пьезоэлектрических), упругих, соединительных и в слоях металлизации.4В данной работе представлены численно-аналитические методики расчета напряженно-деформированного состояния многослойных ПП различныхформ с учетом температурного воздействия. Применение разработанных методик для оптимизации реальных устройств показало их высокую эффективность для решения задач повышения точности микроперемещений и расширения температурного диапазона компенсации тепловых деформаций.Актуальность работы.В работе исследованы многослойные пьезоэлектрические преобразователи прецизионных ОПЭТ и разработаны инженерные методики их моделирования с учетом действия температуры и пьезоэффекта.Мировыми производителями пьезоустройств для микроперемещенийявляются фирмы Murata (Япония), Physik Instrumente (PI) GmbH & Co (Германия), Morgan Electro Ceramics (Великобритания), APC (США) и др.Актуальность работы обусловлена тем, что повышение микроминиатюризации устройств с ПП требует развития инженерных методик, позволяющих создавать современное, надежное и энергоэффективное технологическое и аналитическое оборудование.Проведенные исследования являются актуальными, поскольку приводына основе пьезоэффекта способны удовлетворить большинству требований,предъявляемых к устройствам прецизионного перемещения субмикронного инанометрового диапазона в ОПЭТ: воспроизводимости перемещений, рабочим усилиям и требованиям к надежности, чистоте технологической среды ималому износу, возможности работы в вакууме, микроминиатюризации и малому энергопотреблению.
Диапазон рабочего хода исследуемых устройств,например, в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), составляет от единиц ангстрем до сотен микрометров, а погрешность при этом не должна превышать десятых долей ангстрема.Объектом исследования являются многослойные электромеханические преобразователи микроперемещений на основе пьезоэффекта (актюаторы и датчики), используемые в ОПЭТ.Предметом исследования являются современные аналитические ичисленные методики расчета статических и динамических характеристикэлементов ОПЭТ с многослойными ПП и учетом действия температуры ипьезоэффекта.5Цель работы – разработка и исследование многослойных ПП, обладающих более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с существующими аналогами для решения задач микроперемещений итермокомпенсации в устройствах ОПЭТ в условиях их интенсивной эксплуатации и создание методик их расчета с применением уравнений теории упругости и численного метода конечных элементов.При этом решались задачи:1.
Анализ перспективных направлений применения пьезоустройств воборудовании электронной техники. Изучение существующих методик определения статических и динамических характеристик ПП аналитическими,численными и экспериментальными методами. Разработка расширеннойклассификации пьезоустройств с элементами переменной жесткости. Аналитический обзор ПП, применяемых в ОПЭТ. Поиск направлений оптимизацииПП и улучшения их эксплуатационных характеристик.2. Изучение аналитических и численных методов решения задач прямого и обратного пьезоэффектов. Освоение метода конечных элементов длярасчета деформаций при обратном пьезоэффекте.
Разработка методики температурной аналогии пьезоэффекта.3. Разработка методики расчета многослойных ПП в ОПЭТ численнымметодом конечных элементов на основе разработанных аналитических методик расчета данных конструкций, использующих классические методы теории упругости и теории механических колебаний с сопоставлением и анализом результатов, полученных различными методами, включая метод натурных испытаний.Методы исследования.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
