Микромеханические устройства: принципы и применение.
Micromachinery
Микромашины: создание, размеры (100 нм - 100 мкм), применение в акселерометрах и механизмах. Технологии изготовления: поверхностная и объемная обработка.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Механические объекты очень малых размеров.
Mechanical objects that are very small
Микромашины – это механические объекты, которые изготавливаются по аналогии с интегральными схемами. Обычно их размер составляет от 100 нанометров до 100 микрометров, хотя это является предметом дискуссий. Области применения микромашин включают акселерометры, которые обнаруживают столкновение автомобиля с препятствием и активируют подушку безопасности. Сложные системы шестерен и рычагов – еще одна область применения.
Micromachines are mechanical objects that are fabricated in the same general manner as integrated circuits. They are generally considered to be between 100 nanometres to 100 micrometres in size, though that is debatable. The applications of micromachines include accelerometers that detect when a car has hit an object and trigger an airbag. Complex systems of gears and levers are another application.
Изготовление
Изготовление этих устройств обычно осуществляется двумя методами: микрооборотка поверхности и объемная микрообработка. Для выполнения объемной микрообработки необходимая область сильно легируется бором, а нежелательный кремний удаляется травлением в жидких кремниевых травителях. Этот метод называется "etchstop", так как легирование бором создает нетравящийся слой/паттерн.
The fabrication of these devices is usually done by two techniques, surface micromachining and bulk micromachining. To do bulk micromachining, the region needed is highly doped with boron and the unwanted silicon is etched in liquid silicon etches. This technique is termed an etchstop as the doping of boron produces an unetchable layer/pattern.
Передатчики
Большинство микромашин выступают в роли преобразователей, другими словами, они являются либо датчиками, либо приводами. Датчики преобразуют информацию из окружающей среды в интерпретируемые электрические сигналы. Одним из примеров микромашинного датчика является резонансный химический датчик. Механический объект с небольшой демпфированием вибрирует гораздо сильнее на одной частоте, чем на любой другой, и эта частота называется его резонансной частотой. Химический датчик покрыт специальным полимером, который притягивает определенные молекулы, например, содержащиеся в сибирской язве, и когда эти молекулы прикрепляются к датчику, его масса увеличивается. Увеличение массы изменяет резонансную частоту механического объекта, которая обнаруживается с помощью электронной схемы. Приводы преобразуют электрические сигналы и энергию в движение. Три наиболее распространенных типа приводов – электростатические, термические и магнитные. Электростатические приводы используют силу электростатической энергии для перемещения объектов. Два механических элемента, один неподвижный (статор) и один подвижный (ротор), имеют два разных напряжения, которые создают электрическое поле. Это поле конкурирует с восстанавливающей силой на роторе (обычно упругой силой, возникающей при изгибе или растяжении ротора), чтобы переместить ротор. Чем больше электрическое поле, тем дальше переместится ротор. Термические приводы используют силу теплового расширения для перемещения объектов. При нагревании материал расширяется на величину, зависящую от его свойств. Два объекта могут быть соединены таким образом, что один объект нагревается больше другого и расширяется сильнее, и этот дисбаланс создает движение. Направление движения зависит от соединения между объектами. Это проявляется в "тепловом приводе" – U-образной балке с одним широким и одним узким плечом. При прохождении тока через объект создается тепло. Узкое плечо нагревается сильнее широкого, поскольку они имеют одинаковую плотность тока. Поскольку оба плеча соединены сверху, расширяющееся горячее плечо толкает в направлении холодного плеча. Магнитные приводы используют изготовленные магнитные слои для создания сил.
Most micromachines act as transducers; in other words, they are either sensors or actuators. Sensors convert information from the environment into interpretable electrical signals. One example of a micromachine sensor is a resonant chemical sensor. A lightly damped mechanical object vibrates much more at one frequency than any other, and this frequency is called its resonance frequency. A chemical sensor is coated with a special polymer that attracts certain molecules, such as those found in anthrax, and when those molecules attach to the sensor, its mass increases. The increased mass alters the resonance frequency of the mechanical object, which is detected with circuitry. Actuators convert electrical signals and energy into motion of some kind. The three most common types of actuators are electrostatic, thermal, and magnetic. Electrostatic actuators use the force of electrostatic energy to move objects. Two mechanical elements, one that is stationary (the stator) and one that is movable (the rotor) have two different voltages applied to them, which creates an electric field. The field competes with a restoring force on the rotor (usually a spring force produced by the bending or stretching of the rotor) to move the rotor. The greater the electric field, the farther the rotor will move. Thermal actuators use the force of thermal expansion to move objects. When a material is heated, it expands an amount depending on material properties. Two objects can be connected in such a way that one object is heated more than the other and expands more, and this imbalance creates motion. The direction of motion depends on the connection between the objects. This is seen in a "heatuator", which is a U shaped beam with one wide arm and one narrow arm. When a current is passed through the object, heat is created. The narrow arm is heated more than the wide arm because they have the same current density. Since the two arms are connected at the top, the stretching hot arm pushes in the direction of the cold arm. Magnetic actuators used fabricated magnetic layers to create forces.