Микроактюаторы

  Микроактюатор (составная часть МЭМС) - это устройство, которое преобразовывает энергию в управляемое движение. Микроактюаторы имеют размеры от нескольких квадратных микрометров до одного квадратного сантиметра. Диапазон применения микроактюаторов чрезвычайно широк и различен, и он постоянно возрастает. Они используются в робототехнике (рис 1), в управляющих устройствах, в космической области, в биомедицине (рис 2), дозиметрии, в измерительных приборах, в технологии развлечения, автомобилестроении и в домашнем хозяйстве.

рис 1. Матрица из микроактюаторов для тактильного дисплея высокого разрешения.	рис 2. Полностью вживляемый слуховой аппарат.

  Конкретные примеры использования: микроактюаторы нужны для управления резонансными датчиками, они генерируют и передают им резонансную частоту; для управления режущими инструментами в микрохирургии (рис 3), это также различные микродвигатели (рис 4), которые используются для управления микрореле, микрозеркалами и микрозажимами; микроактюатором может быть даже микроэлектродное устройство для возбуждения тканей мускул в неврологических протезах.

рис 3. Ультразвуковой катетер с микроактюатором (для вращения ультразвукового преобразователя) внутри.	рис 4. Электростатический микроактюатр.

  В данном разделе все методы получения активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах кратко сведены к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. При оценке использования того или иного метода часто пользуются законами пропорционального уменьшения размеров. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют важное значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно требуют относительно большой электрический ток (т.е много энергии), также на микроскопическом уровне при использовании электростатических методов активации, получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов, т.е при одном и том же размере электростатическое устройство выдаёт более хороший выходной сигнал. Тепловые актюаторы тоже потребляют относительно большое количество электрической энергии, главный их недостаток в том, что генерируемое тепло должно быть рассеяно.

  Для оценки микроактюаторов используют следующие критерии качества: линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис, пороговое значение, люфт, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда, чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость, выход по энергии.

  Для получения надёжных, функциональных и относительно дешёвых МЭМС очень важным становится этап проектирования. Cуществует довольно много программных средств, которые позволяют моделировать МЭМС устройства. Наиболее известные из них это: SUGAR, MEM Research, 3-D ANISOTROPIC ETCH SIMULATION ON-LINE , CorningIntelliSense Corporation, Nodal Design of Actuators and Sensors, Coventor Inс, MEMSCAP, Tanner Research.

  Основные проблемы: при использовании очень гладких поверхностей, типичных для микромашинных устройств, слипание или примерзание двух частей между собой это обычное дело, и в конструировании микроактюаторов это целая проблема. Эти эффекты могут увеличить трение до такой степени, что вся выходная мощность такого устройства сводится к преодолению трения, а трение и, как следствие, износ приводит к преждевременному старению и поломке . Для преодоления этих проблем, необходимо использовать точно рассчитанные конструкции и хорошо подобранные материалы, но и в этом случае во многих конструкциях микроактюаторов неприятности, связанные с этими эффектами, не исчезают. Ещё одну опасность для конструкции микроактюатора представляет поверхностное натяжение в момент извлечения его из раствора травителя.

Раздел Введение составлен с использованием учебных материалов Д. Бэнкса и М. Каспера. [1,2].