Диссертация (1091101), страница 5
Текст из файла (страница 5)
США к 2020 году.Сферы применений пьезоприводов в современной науке и технике весьмаразнообразны. Это приводы измерительных устройств, таких как туннельные иэлектронные микроскопы, интерферометры, волоконно-оптические и кольцевыелазерные гироскопы [12, 13]; приводы дозирующих систем в принтерах, в топливных системах автомобилей; а работающие в динамическом режиме – для возбуждения колебаний в вибрационных миниатюрных гироскопах и прецизионныхпьезодвигателях.В ходе аналитического обзора разработана оригинальная классификацияпьезопреобразователей.Классификация пьезоэлектрических преобразователей1.
По виду пьезоэффекта251.1. Прямой1.2. Обратный2. По режиму работы2.1. Статический (квазистатический)2.2. Динамический (резонансный)3. По областям применения3.1. Стабилизация частот и обработка сигналов3.2. Звук и ультразвук3.3. Актюаторы и двигатели3.4. Датчики3.5.
Системы зажигания3.6. Генераторы энергии4. По виду колебаний4.1. Продольные4.2. Поперечные (изгибные)4.3. Сдвиговые (крутильные)5. По форме исходных элементов5.1. Линейные (струны, стержни, балки)5.2. Планарные (дисковые, прямоугольные, сложной формы)5.3. Объемные (цилиндры, трубки, спирали, сотовые конструкции)6. По способу закрепления6.1. На одном краю6.2.
На двух краях6.3. По контуру6.4. По площади6.5. Центральное закрепление6.6. Закрепление в двух узловых точках7. По применяемым пьезоматериалам7.1. Натуральные и синтетические монокристаллы267.2. Сегнетомягкие пьезокерамики7.3. Сегнетожесткие пьезокерамики7.4. Пьезополимеры7.5. Пьезокомпозиты8. По варианту сборки в комплексные элементы8.1. Юниморфы8.2.
Биморфы8.3. Триморфы8.4. Мультиморфы8.5. Гелиморфы (спиральные пьезоэлементы)Пьезоэлектрические приводы и датчики широко используются в оборудовании, приборах и устройствах электронной техники. Известны примеры применения пьезоустройств в исследовательском и технологическом оборудовании дляфото- и рентгенолитографии, в сканирующей зондовой микроскопии, пьезокорректорах лазерных резонаторов и интерферометров Фабри-Перо, вакуумных клапанах и натекателях, пьезоэлектрических мембранных насосах, пьезоэлектрических инерциальных датчиках, пьезоэлектрических двигателях и других областях(таблица 1.2).Достоинствами пьезопреобразователей являются малые габариты и возможность интеграции в электронные схемы, низкое энергопотребление, отсутствие вращающихся частей. Кроме того, пьезоэлектрические устройства обладаютвысокой радиационной стойкостью, не являются источником электромагнитныхпомех и способны работать в вакууме, не привнося существенного загрязнения ввакуумную среду.
По параметрам энергосбережения, миниатюризации и адаптивности к компьютерным системам управления пьезопреобразователи занимают лидирующее положение, опережая магнитострикционные, электромагнитные и тепловые преобразовательные устройства. Рассмотрим некоторые виды пьезопреобразователей более подробно (см. таблицу 1.2).271.2.1 Пьезоприводы систем микроперемещенийПьезоприводы широко используются в фото-, рентгено- и электронолитографии для прецизионного совмещения шаблонов в оборудовании [14, 15, 16].В системах совмещения установки рентгеновской литографии с длинойволны излучения 0,5..5 нм [16] используются две подсистемы – грубого позиционирования по координатам X, Y и система высокоточного позиционирования (±0,02 мкм) на основе пьезоэлектрических двигателей 11 и упругих направляющих.На рисунке 1.6 представлена установка рентгенолитографии с неподвижным анодом.Для формирования структур с нанометровыми размерами используютсяустановки высокоинтенсивного рентгеновского излучения с синхротронным источником.
Схема установки рентгенолитографии с синхротронным источникомпоказана на рисунке 1.7.Перед экспонированием рентгеношаблон центрируется относительно потока синхротронного излучения, подводимого по каналу 7. В блоке мультипликации1 подложкодержатель 2 с подложкой 3 перемещается на воздушных направляющих с помощью шагового двигателя. На этапе точного совмещения каретка подложкодержателя фиксируется вакуумом.Микроперемещения подложкодержателя по ортогональным осям и поворотшаблонодержателя 4 с рентгеношаблоном 5 производятся пьезоприводами.
Блокавтоматического совмещения 6 во время проведения этой операции размещаетсяоколо рентгеношаблона.При загрузке очередная подложка из кассеты 8 попадает на позицию предварительной ориентации 9 и далее на подложкодержатель 2. Экспонированнаяподложка автоматически транспортируется в кассету 11. Очередной рентгеношаблон, подаваемый из кассеты 10, центрируется в подложкодержателе с точностью ± 40 мкм.28Таблица 1.2 – Основные параметры и области применения пьезопреобразователей, применяемых в оборудовании электронной техникиУстройстваПьезоприводы микроперемещенийОсновные характеристикиОсновныеформы пьезоэлементовОбласти примененияПроизводителиВеличина рабочего хода (мкм),нагрузочная способность (Н)Пьезостеки,биморфы,амплитудныеусилителиперемещений(Mooney,Cymbal)Позиционированиешаблонов в фото- ирентгенолитографии, микроинденторы, микропрессы,системы настройкилазеровPhysik Instrumente (PI),Cedrat, ОАО«НИИ Элпа»,ОАО"НИИФИ"Трубки, биморфы, триподыСканирующая зондовая микроскопия(атомно-силовая,туннельная и т.п.)Digital Instruments, VeecoInstruments,Physik Instrumente (PI),Quesant, НТМДТPhysik Instrumente (PI),ФГУП НИИ«Полюс», ОАО«НИИ Элпа»ПьезосканерыПлощадь полясканирования(мкм2)ПьезокорректорыДиапазон рабочихтемператур (С),допустимая величина перемещений(нм)Диски, мембраныОптические резонаторы интерферометров, системыуправления мощностью лазеров.ПьезонасосыПроизводительность (мкл/мин),энергопотребление (мВт)Диски, биморфы, многослойныепьезопластиныСистемы подачижидкостей и газов врабочую зону технологических процессов, биологические МЭМСMurata Manufacturing Co.,Bartels Mikrotechnik GmbH,Nitto KohkiCo., LtdПьезоклапаны инатекателиВеличина блокирующей силы (Н),натекание при закрытом клапане(торр·л/с)Биморфы,дискиРегуляторы, клапаны и натекатели вакуумных системPhysik Instrumente (PI),ООО «Прикладная физика», Lileya Ltd.Резонансная частота (Гц), рабочий диапазон (/с,м/с2) коэффициентпреобразования(мВ//с или мВ/g)Стержни,камертоны,пластины,мембраны,тонкостенные резонаторы, трубкиСистемы активногоподавления вибрации, робототехникаи микросхваты,электронная аппаратураMurata Manufacturing Co.,Fujitsu,NEC/Tokin,BEI SystronDonner, Sagem,ОАО «НИИЭлпа»Пьезорезонаторыинерциальных датчиков29Рисунок 1.6 – Установка рентгенолитографии с неподвижным анодом:1 – неподвижный анод; 2 – водоохлаждаемая вакуумная камера; 3 – кольцевойкатод; 4 – фокусирующий электрод; 5 – вакуумное окно; 6 – заслонка;7 – гелий-неоновый лазер; 8 – оптическая система; 9 – фотодатчики; 10 – стол длягрубого позиционирования по X,Y и системы точного позиционирования;11 – пьезоэлектрические двигатели; 12 – система управления перемещениемподложки; 13 – рабочая камера, заполненная гелием; 14 – датчик мягкого рентгеновского излучения; 15 – опорная рамка; 16 – основание рентгеношаблона изкремния; 17 – мембрана из материала с малым коэффициентом поглощения(Si, SiN); 18 – золотая пленка [16].30Рисунок 1.7 – Установка совмещения и экспонирования синхротроннымизлучением: 1 – блок мультипликации; 2 – подложкодержатель; 3 – подложка; 4 –шаблонодержатель; 5 – рентгеношаблон; 6 – блок автоматического совмещения;7 – канал синхротронного излучения; 8 – кассета исходных подложек; 9 – позицияпредварительной ориентации; 10 – кассета рентгеношаблонов;11 – кассета экспонированных подложек; 12 – калиброванные шарики;13 – фиксатор шаблонодержателя; 14 – пьезопривод; 15 – корпус;16 – пружины [16].31Выравнивание поверхностей подложки и рентгеношаблона выполняется спомощью калиброванных шариков 12, размещаемых между опорным кольцомрентгеношаблона и подложкой.
Предварительная ориентация подложки и рентгеношаблона обеспечивает контактирование шариков с нерабочими участками подложки (разделительными линиями). Пружины 16 осуществляют необходимыйразворот шаблонодержателя для его параллельной установки относительно очередной зоны подложки. В этом положении шаблонодержатель закрепляется фиксатором 13.Пьезостолбец 14 обеспечивает точный угловой разворот подложкодержателя относительно неподвижного корпуса 15. Аналогичные пьезоприводыосуществляют перемещение подложкодержателя по осям X и Y.Отечественное предприятие ОАО «НИИ «ЭЛПА» выпускает ряд пьезоустройств для фото–, рентгено– и электронолитографии [14]:– корректор пьезоэлектрический КП-1, предназначенный для прецизионного позиционирования шаблонов с точностью до единиц нанометров при максимальном изменении длины 5 мкм.
Корректор КП-1 обладает большим быстродействием, безинерционностью, малой потребляемой мощностью;– пьезокерамические актюаторы пакетного типа (величина перемещения1..100 мкм при чувствительности 0,002 .. 0,0045 мкм/В, предельное напряжение до600 В);– армированные актюаторы продольного типа (величина перемещения от±24 до ±40 мкм при рабочем напряжении ±300 В);– цилиндрические актюаторы армированного типа (перемещение от ±3 до±12 мкм при рабочем напряжении ±500 В).1.2.2. Пьезоклапаны и натекателиПьезоэлектрические клапаны и натекатели – устройства, предназначенныедля регулировки потоков жидкости или газов за счет использования явления обратного пьезоэффекта.32Пьезоэлектрические клапаны и натекатели применяются в вакуумных технологических системах для напуска газа, микрожидкостных, микроэлектромеханических системах [17, 18] и других сферах, например, в медицине [19].Преимущества пьезоэлектрических клапанов по сравнению с электромагнитными (соленоидами) заключаются в низком энергопотреблении (потреблениеэнергии только в момент коммутации, что до 95% снижает потребление по сравнению с соленоидом), плавности хода (перемещение пропорционально напряжению), высокой точности дозирования, низком тепловыделении и бесшумности,уменьшении размеров до 90%, малом времени срабатывания (менее двух миллисекунд), высокой удельной мощности, малых габаритах и массе, возможности интеграции на электронные платы [18].Кроме того, пьезоклапаны не имеют дополнительных кинематических связей, сервоприводов и, как правило, не нуждаются во внешней настройке.Недостатки пьезоклапанов: необходимость использования высоковольтныхисточников (до 300 В), достаточно узкий диапазон давлений (до 14 бар) и скоростей потока (от 0 до 30 л/мин), относительно высокая цена.Пьезоклапаны по конструктивному устройству разделяются на нормальнозакрытые и нормально открытые, а по виду активного пьезоэлемента – на клапаны из пьезостеков (столбцов) [20] и на основе изгибных пьезоэлементов – консольных прямоугольных [18, 21], кольцевых [22, 23] или мембранных [24].
Изгибные актюаторы в основном используются для пневматических клапанов, поскольку обладают большими перемещениями, а стековые – для гидравлических ивакуумных, поскольку обладают большими блокирующими усилиями [25].Примером серийного пьезоклапана на основе консольного изгибного пьезоэлемента является клапан VEMR фирмы Festo [26], который предназначен для регулирования потока воздуха, кислорода, инертных газов (рисунок 1.8). Пьезоклапан приводится в движение юниморфным пьезоэлементом, в котором активныйслой пьезокерамики закреплен на подложке из углепластика.33Рисунок 1.8 – Пьезоклапан VEMR (Festo)Клапан представляет собой двухходовый клапан (2/2 way-valve) с однимвходным и одним выходным отверстием, закрытый в исходном состоянии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
