Programul Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Proiect POSDRU/159/1.5/S/138963 – Doctoranzi în sprijinul inovării și… [304202]
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Investește în oameni!
Programul Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013
Proiect POSDRU/159/1.5/S/138963 – Doctoranzi în sprijinul inovării și competitivității
UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI
Facultatea de Inginerie Mecanică și Mecatronică
Departamentul Mecatronica și Mecanica de Precizie
Nr. Decizie Senat __________ din _____________
TEZĂ DE DOCTORAT
Cercetări pentru realizarea și testarea unor microsisteme mecatronice de recuperare a energiei cinetice
Autor: Ing. Necula Cristian
Conducator de doctorat: prof.dr.ing Octavian Donțu
COMISIA DE DOCTORAT
București (data)
Cuprins
OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT……………………………………………………………………….4
CAPITOLUL 1……………………………………………………………………………………………………………….7
STADIUL ACTUAL PRIVIND CONCEPTUL UNUI MICROSISTEM MEMS……………….7
1.1 Concepte și definiții……………………………………………………………………………………………………7
1.2 Sisteme microelectromagnetice MEMS………………………………………………………………………..8
1.3 Propietăți mecanice ale sistemelor MEMS……………………………………………………………………10
CAPITOLUL 2……………………………………………………………………………………………………………..13
STADIUL ACTUAL CU PRIVIRE LA RECUPERAREA ENERGIEI DIN MEDIUL ÎNCONJURĂTOR………………………………………………………………………………………………………..13
2.1 Surse de energie………………………………………………………………………………………………………..13
2.2 Stocarea energiei………………………………………………………………………………………………………15
2.3 Recuperarea energiei din mediul ambient……………………………………………………………………..16
2.4 Dispoztitive de recuperare a energiei bazate pe fenomenul piezoelectric…………………………17
2.5 Dispozitive electrostatice de recuperare a energiei din mediul înconjurător……………………..19
2.6 Generatoare electromagnetice de recuperare a energiei din vibratii………………………………….22
CAPITOLUL 3……………………………………………………………………………………………………………..26
STADIUL ACTUAL AL ACTUATORILOR MEMS…………………………………………………….26
3.1 Concepte si definiții…………………………………………………………………………………………………..26
3.2 Exemple de sisteme de acționare cu actuatori electrostatici…………………………………………….30
3.3 Exemple de solutii constructive cu actuatori electrostatici………………………………………………35
3.4 Exemple de actuatori electromagnetici…………………………………………………………………………37
CAPITOLUL 4…………………………………………………………………………………………………………….42
SISTEME DE RECUPERARE A ENERGIEI ȘI DE ACȚIONARE ELETROMAGNETICĂ……………………………………………………………………………………………….42
4.1 Mărimi locale ale câmpului electromagnetic……………………………………………………………….42
4.2 Modelul matematic simplificat al sistemului oscilant……………………………………………………47
4.3 Recuperarea energiei cu ajutorul sistemelor electromagnetice……………………………………….51
4.4 Importanta cunoașterii tehnologiei de fabricație a componentelor microactuatorului și a micromagnetilor…………………………………………………………………………………………………………..52
CAPITOLUL 5…………………………………………………………………………………………………………..54
SIMULAREA MODULUI DE COMPORTARE A UNUI SISTEM MEMS………………….54
5.1 Prezentarea etapelor de proiectare a unui concept de actuator electromagnetic……………….54
5.2 Rezolvarea simulării cuplate ……………………………………………………………………………………58
5.3 Rezolvarea problemei de câmp electric……………………………………………………………………..61
5.4 Discretizarea modelului în element finit…………………………………………………………………….62
5.5 Rezolvarea problemei structurale ……………………………………………………………………………..68
5.6 Concluzii ale simularii modului de comportare a actuatorului electromagnetic……………….70
5.7 Prezentare simulării numerice, în vederea determinarii tensiunii induse printr-o bobină plană cu o singură înfășurare……………………………………………………………………………………………………70
5.8 Declararea parametrilor globali………………………………………………………………………………….71
5.9 Definirea zonelor de discretizare………………………………………………………………………………..74
5.10 Rezolvarea problemei de flux magnetic…………………………………………………………………..76
5.11 Analiza structurală a frecventelor proprii…………………………………………………………………77
5.11. Concluzii…………………………………………………………………………………………………………….80
CAPITOLUL 6…………………………………………………………………………………………………………..81
TEHNOLOGII DE PROCESARE APLICATE PENTRU REALIZAREA COMPONENTELOR UNUI SISTEM MEMS…………………………………………………………….81
6.1 Exemple de tehnologii de procesare pentru realizare microreperelor specifice MEMS……81
6.2 Metoda operațională de realizare a magneților permanenti prin electroeroziune…………………………82
6.3 Metode de realizare a reperelor micromecanice prin litografiere laser………………………………………85
6.4 Procesul de litografiere laser……………………………………………………………………………………………….87
6.5 Procedeul LIGA aplicat pentru realizarea microsistemelor MEMS………………………………………….88
6.6 Sistemul de litografiere laser……………………………………………………………………………………………….89
6.7 Procedeul de depunere galvanică…………………………………………………………………………………………92
6.8 Rezultate experimentale………………………………………………………………………………………………………97
6.9 Rezutate practice privind extragerea reperelor utile din ansamblu…………………………………………..107
6.10 Realizarea structurilor 3D………………………………………………………………………………………………..108
6.11 Modul de proiectare tridimensională al structurilor……………………………………………………………..110
6.12 Rezultate obținute în microstructuri 3D într-un singur strat………………………………………………….113
6.13 Concluziile studiului experimental…………………………………………………………………………………….115
6.14 Metode de realizare a magneților permanenți……………………………………………………………………..116
6.15 Caracteristicile magneților permanenți………………………………………………………………………………126
6.17 Propietățile magnetice ale unei matrici cu magneți permanenți……………………………………………..128
6.18 Concluzii ……………………………………………………………………………………………………………………….132
CAPITOLUL 7 ………………………………………………………………………………………………………..134
STUDIUL EXPERIMENTAL – REALIZAREA UNUI STAND DESTINAT APLICAȚIILOR MEMS………………………………………………………………………………………….134
7.1 Prezentarea standului electromagnetic………………………………………………………………………………..134
7.2 Principiul de măsurare a standului electromagnetic………………………………………………………………137
7.3 Aparate și dispozitive utilizate în cadrul experimentelo………………………………………………………..145
Anexa 1………………………………………………………………………………………………………………………………151
Bibliografie……………………………………………………………………………………………………………..169
Listă de figuri…………………………………………………………………………………………………………..170
INTRODUCERE
ÎNCADRAREA ÎN CONTEXTUL ACTUAL
Nivelul tehnologic actual poate fi atribuit în mare măsură dezvoltării continue a unor tehnici de proiectare a sistemelor MEMS la scară micro și nano, ale căror aplicații au un impact pozitiv asupra societății umane.
Termenul “MEMS” este o abreviere din limba engleză a expresiei “Micro-Electro-Mechanical System” și reprezintă un sistem integrat care conține repere mecanice și sisteme electrice, într-o singură piesă de mici dimensiuni numit (“chip”), cu dimensiuni de la un micrometru la un milimetru. În Europa sistemele MEMS sunt adesea cunoscute și sub denumirea de MST (Microsystems technology).
Dispozitivele de tip MEMS sunt realizate prin integrarea componentelor electronice și a actuatorilor pe o plăcuță din siliciu, prin tehnologii specifice de procesare.
Aceste dispozitive microelectromagnetice, produc o eficiență energetică ridicată având avantajul că pot fi fabricate prin procedee tehnologice convenționale. Evoluția accelerată în dezvoltarea tehnologiilor ce utilizează microfabricate cu performanțe energetice superioare a determinat reorientarea producătorilor din domeniul energiei, către tehnologia sistemelor microelectromagnetice, ale căror avantaje, au fost puse în evidență în ultimele decenii. Dezvoltată inițial pentru aplicații militare, această tehnologie nouă și revoluționară a demonstrat performante excelente în domeniul microsistemelor MEMS și nu numai.
Realizarea sistemelor electromagnetice de tip MEMS, pune în lumină analiza efectelor câmpului electromagnetic, însă astfel de metode pot conduce la modele cu sute de grade de libertate. De aceea este absolut necesară proiectarea, realizarea si optimizarea unui microsistem MEMS, cu perspectiva de a fi optimizat într-un model echivalent, de dimensiuni cât mai reduse, destinat recuperarii de tensiune la terminalele acestuia. Având în vedere că procesul de calcul poate fi extrem de complex, realizarea unor simulari de calcul FEA, constituie o alternativă optimă prin utilizarea unor algoritmi paraleli distribuiți, cu scopul de a reducere timpulul de extragere a modelelor de ordin redus.
Modelarea sistemelor electromagnetice implică mai multe domenii ale fizicii: magnetic, electric, mecanic, însă prezenta lucrare se concentrează asupra aspectelor de ordin electromagnetic. O proiectare corectă a sistemelor microelectromagnetice, presupune o înțelegere foarte bună a modelelor fizice asociate, precum și a modului în care se realizează integrarea acestor domenii.
Scopul și obiectivele tezei
Teza de doctorat ”Cercetări pentru realizarea și testarea unor microsisteme mecatronice de recuperare a energiei cinetice” are ca principal obiectiv proiectarea, modelarea și realizarea unui microsistem electromagnetic MEMS, care transformă energia mecanică în energie cinetică.
Actualitatea stiintifică a microsistemelor electromagnetice, precum și necesitatea determinării unor modele precise și eficiente pentru procesul de proiectare, justifică importanța temei de cercetare abordate în prezenta teza de doctorat.
Domeniul și tema tezei de doctorat reflectă încadrarea cercetărilor teoretice și experimentale efectuate cu scopul de a se fundamenta teoretic și a se obține progrese tehnice și tehnologice în realizarea de microsisteme MEMS cu performanțe cât mai înalte.
Teza are ca scop general realizarea unei cercetări complexe, atât teoretice cât și practice (prin efectuarea de simulări numerice și experimentări practice), privind posibilitățile și condițiile în care se pot realiza sau dezvolta noi microsisteme MEMS de recurepare a energiei cinetice din mediul înconjurator
La întocmirea tezei s-au avut in vedere urmatoarele obiective:
prezentarea stadiului atins pe plan internațional în realizarea unor sisteme MEMS de recuperare a energiei din mediul înconjurator;
prezentarea și detalierea conceptelor teoretice, a metodelor de studiu, calcul și simulării numerice a unui concept de actuator electromagnetic;
identificarea și evaluarea efectelor ce pot duce la producerea de tensiune prin modificarea unor parametri mecanici și electrici asupra domeniilor de frontieră ale unui microsenzor pentru recuperarea de tensiune la bornele unei bobine plate cu o singură înfășurare;
proiectarea și executarea unui stand electromagnetic experimental pentru testarea microsistemelor MEMS;
efectuarea de experimente și măsurători care să valideze importanța tezei de doctorat
stabilirea unor direcții de cercetare și evaluare a unor noi microsisteme MEMS de recuperare a energiei
Structura lucrării
Teza este alcătuită din șapte capitole.
Primul capitol conține justificarea studierii sistemelor microelectromagnetice, prezentând importantă și actualitatea temei de cercetare, domeniile de utilizare, noțiuni generale legate de conceptul de microsistem MEMS.
Capitolul doi prezintă stadiul actual al sistemelor de recuperare a energei cinetice din mediul înconjurător.
Capitolul trei descrie stadiul actual al actuatorilor electromagnetici.
În capitolul patru este prezentată soluția proprie a unui sistem de recuperare a energiei și de acționare electromagnetică.
În Capitolul cinci este prezentată analiza deformațiilor și modurilor proprii de vibrații ale unui microactuator electromagnetic.
În capitolul șase sunt prezentate tehnologiile de fabricație, aplicate pentru realizarea componentelor unui microsistem electromagnetic
Ultimul capitol, capitolul sapte este prezentat studiul experimental (proiectarea unui stand electromagnetic pentru aplicații MEMS, realizarea masuratorilor).
Anexele și bibliografia consultată încheie teza de doctorat
Resursele informaționale disponibile pe internet cu referire la tema tezei sunt uriașe, o simplă căutare pentru ”energy harvesting” returnând 843 000 de rezultate, din care 140 000 generate în ultimul an. Extragerea informațiilor relevante din multitudinea de resurse bibliografice nu este o sarcină simplă, informația științifică fiind clasificată în următoarele categorii:
Articole și comunicări
generale: sunt prezentate articole și comunicări ce prezintă sintetic starea domeniului (fiind recenzate mai mult de 120 articole de interes general în domeniul microsistemelor MEMS);
aplicații: prin integrarea microactuatorilor în microsisteme MEMS pentru recuperarea energiei cinetice (144 articole);
caracterizări experimentale: sunt luate în considerare aspectele practice ale sistemelor MEMS, determinarea caracteristicilor dispozitivelor, verificarea cerințelor de proiectare prin compararea rezultatelor simulărilor cu măsurătorile (81 articole);
simulare și modelare: este descris procesul de modelare a unor microactuatori electromagnetici, fiind analizate aspectele modelarii multifizice, dar și principiile de proiectare bazate pe instrumente și pachetele folosite (450 articole și prezentări);
optimizare: identificarea unor tehnici și strategii de optimizare a micorsistemelor MEMS, (26 articole);
procese tehnologice: sunt prezentate articole ce au în vedere aspecte tehnologice ale sistemelor microelectromagnetice, microelectromecanice, proiectarea, fabricarea, provocările și tendințele de îmbunătățire a tehnologiilor (74 articole);
fiabilitate: principala preocupare a utilizatorilor de microsisteme MEMS este fiabilitatea acestor dispozitive, în această secțiune fiind trecute în revistă tehnicile propuse în literatura pentru îmbunătățirea duratei de viață (17 articole);
Teze și disertații: sunt prezentate studii de cercetare, teze de doctorat și disertații de master ce prezintă interesul pentru aceste sisteme MEMS.
Cărți: sunt prezentate recenzii și aprecieri privind cărțile cu tematica MEMS-urilor, reprezentând o resursă bibliografică substanțială datorită cantității considerabile de informații și aspecte de cercetare prezentate (51 cărți).
Software MEMS: sunt analizate principalele software-uri comerciale disponibile la ora actuală pentru modelarea microactuatorilor MEMS (5 programe comerciale).
Training, transfer de cunoștințe, cursuri: sunt prezentate principalele cursuri disponibile în diferite zone ale lumii, ce au în vedere transmiterea cunoștințelor și răspândirea interesului pentru domeniul MEMS (16 cursuri);
Activitatea comunității: sunt prezentate principalele proiecte, reviste și conferințe dedicate cercetării MEMS.
proiecte, echipe de cercetare;
jurnale, conferințe și alte evenimente.
CAPITOLUL 1 STADIUL ACTUAL PRIVIND CONCEPTUL UNUI MICROSISTEM MEMS
Concepte și definiții
Un microsistem este procesat cu ajutorul microtehnologiilor, având avantajul de a îndeplinii funcții multiple pe o structură cu dimensiuni cât mai reduse.[1] Structura unui microsistem este determinată de funcțiile sale:
posibilitatea de a lua decizii pe baza informațiilor receptate;
determinarea, preluarea și evaluarea semnalelor externe;
schimbă informaâia în comenzi pentru actuatori.
Fig. 1. Reprezentarea schematică a unui microsistem MEMS [1]
În prezent, senzorii se fabrică pe substrat, aceștia fiind apoi integrați într-o matrice senzorială. În funcție de domeniul în care sunt folosiți , acestia pot utiliza principii magnetice, mecanice, termice sau biologice. În prezent miniaturizarea senzorilor are un avânt important, însă efectul de miniaturizare a actuatorilor reprezintă o direcție de cercetare care are ca scop rezolvarea unei configurări mult mai complexe, privind atât utilizarea de materiale specifice cât și identificarea unor tehnologii de procesare ale acestora.
Prin realizarea unei interfețe cu alte sisteme se asigură transferul de, informație, substanță și energie. Dezvoltarea de interfețe care asigura schimbul de informație reprezintă o soluție fezabilă pe piață a viitoarelor microsisteme. Un real interes a prezentat dezvoltarea unei interfețe electrice pentru transmiterea informațiilor și a energiei. În prezent sunt în stadiul de cercetare, diverse soluții de interfețe ce au în componență elemente optice, termice, sau acustice. Singura metodă utilizată pentru transferul de substanță, cunoscută pâna în prezent este o interfață ce folosește componente specifice micro-fluidicii.
Procesul de prelucrare și control al microsistemelor cu funcții complexe este limitat din punct de vedere al dimensiunilor și al consumului de energie, astfel algoritmii de control trebuie convertiți la utilitatea și specificul microsistemelor.
În realizarea interfaței electrice pot fi integrați convertori A/D și D/A, ce permit conversia semnalelor analogice preluate de la senzori, în semnale digitale, dar și un control de tip analog folosind comenzi digitale generate de microcontrolere.
În procesarea microsistemelor cu structură descentralizată, ce au în componență senzori și actuatori inteligenți, pot fi integrați direct pe chipurile microactuatorilor sau a microsenzorilor. Un ciclu de prelucrare a informațiilor într-un microsistem este formtat din : captarea, stocarea, evaluarea și generarea de semnale. Elementele de procesare a informației generează semnale electrice pentru controlul actuatorilor, prin utilizare datelor de la senzori.
Sisteme microelectromecanice MEMS
Dispozitiv sau ansamblu de dispozitive miniaturizate, compus din elemente mecanice și electrice și fabricate utilizând tehnologii specifice circuitelor integrate.
Senzor: reprezintă un dispozitiv care preia informații utile de la mediul înconjurător și furnizează una sau mai multe variabile de ieșire către un instrument de măsurare.
Senzor inteligent: reprezintă un senzor prevăzut cu sisteme electronice de control integrate sau integrate împreună cu dispozitivele mecanice.
Actuator: reprezintă un dispozitiv capabil să genereze o forță în virtutea căreia să se poată manipula el însuși, alte dispozitive mecanice sau mediul înconjurător, în scopul realizării unor funcțiuni specifice.
Strat structural: reprezintă un strat de material care conține unul sau mai multe dispozitive mecanice.
Strat de sacrificiu: reprezintă un strat de material situat între straturile structurale, în scopul separării și izolării mecanice. Acest strat este eliminat la finalul procesului tehnologic, pentru a elibera straturile structurale și a permite dispozitivelor mecanice să se deplaseze relativ la substrat.[1]
Componentele unui microsistem electronic de putere sunt esențiale, ele ridicând în mod frecvent probleme electromagnetice de care trebuie să se țină cont în etapa de proiectare. Cu ajutorul unor convectori A/D, pot fi prelucrate semnale ce servesc drept semnale de control pentru actuatori, dar și prelucrare de semnal de la diverși senzori digitizați. Un microsistem are avantajul de a se automonitorizara și testa cu ajutorul unor unități proprii de control, fiind posibil schimbul de informații cu alte microsisteme. Mai jos este reprezentat procesul de prelucrare a informațiilor de către un microsistem, figura 1.2.
Fig. 1. Procesarea semnalului și a informației într-un microsistem [1]
Exemple de microsisteme:
senzori de presiune din siliciu;
senzori pentru accelerație și rotație din siliciu și cuarț;
capul de imprimare al imprimantelor cu jet de cerneală;
capul de citire al hard-disc-ului magnetic.
dispozitive microfluidice – pentru analize biochimice;
Tehnologia microsistemelor – efecte, materiale și metode:
tehnologii aerospațiale;
tehnologii electronice;
industria automobilului;
transmiterea și preluarea informației;
construcția mașinilor unelte de precizie;
tehnologii de automatizare;
telecomunicații;
tehnologii medicale;
tehnologii chimice;
biotehnologii.
Implementarea tehnologiei microsistemelor necesită utilizarea de noi metode de proiectare, materiale noi ce au caracteristici fizico-mecanice superioare, tehnologii avansate de realizare a produselor, capabile să facă față concurenței pe piața de desfacere, precum și metode de integrare a acestor tehnologii, necesare dezvoltării viitoarelor aplicații orientate în aceasta direcție.[1]
Progresele tehnologice au permis o creștere enormă a complexității sistemelor, în timp ce prețul a scăzut în mod constant. Dacă până în anii ’90, s-a vorbit doar despre integrarea a cât mai multor componente electronice pe un chip, în ultimii ani s-a pus problema ca, pe același structură, să fie integrate și componente mecanice. Scopul acestei tehnologii este ca o categorie însemnată de componente să poată fi realizate în același timp pe întreaga suprafață a structurii, fără a fi necesară vreo asamblare.
Când se regăsesc mai multe sisteme funcționale integrate într-un singur chip, prețul total al produsului finit scade drastic. Mai puține componente pe o placă de cablaj înseamnă o arie mai mică a plăcii, mai puține interconexiuni și un efort mai mic de echipare a plăcii cu componentele individuale. Astfel cu cât numărul componentelor de pe structura, sunt mai puține cu atât crește fiabilitatea produsului finit.
Perioada anilor 1998 a fost reprezentativă pentru dezvoltarea senzorilor, cu multe succese în realizarea de noi tehnologii și aplicații. Milioane de accelerometre și senzori de șoc, realizate prin tehnici de microfabricație au fost produse. Duze microfabricate au dominat piața capetelor de imprimare la imprimantele de tip ink-jet. [1]
Materiale de microprelucrare pentru dispozitivele MEMS, caracteristici:
rezistență mare la uzură;
rezistența ridicată la rupere
să nu prezinte tensiuni interne;
bune proprietăți mecanice;
coeficient de frecare scăzut.
Materiale frecvent utilizate:
Siliciul monocristalin: grinzi rezonante, membrane, arcuri spirale, elemente reflectante conduse electrostatic, elemente de asamblare, elemente fluidice, micropompe, microvalve, suport-mască LIGA.
Siliciul policristalin: contactoare, motoare electrostatice, turbine, angrenaje, pârghii, roți de cliché.
Diamantul: membrane, suport-mască pentru metoda LIGA.
Dioxidul de siliciu: membrane, elemente elastice, măști, materiale izolatoare, etc.
Nitrura de siliciu: elemente elastice, material absorbant pentru masca LIGA, măști, materiale izolatoare.
Cuarț: senzori de accelerație.
Nichel, cupru, aur, wolfram: roti dințate, motoare electromagnetice, contactoare, filtre pentru IR, structuri rezonante, pensete.
Wolfram, titan: material absorbant al măștii LIGA.
PMMA, rășini (epoxidice, siliconice, acrilice): filtre pentru hemodializa, separatoare de substanțe.
Materiale ceramice: membrane.
În prezent microsistemele MEMS și conceptele derivate din acestea pot genera o mulțime de întrebuințări. În cazul în care dorim să descriem tehnologiile de microprelucrare ca un set de instrumente generice, nu există nici un motiv de a limita utilizarea acestora pentru un material. Etapele de microprelucrare au fost demonstrate utilizânt ca materiale: silicon, sticla, ceramică, polimeri și semiconductori compuși din grupa III și IV de elemente, precum și o varietate de metale inclusiv titan. Siliciul rămâne totuși materialul de alegere pentru sisteme de tip MEMS. Fără îndoială această popularitate de fabricare a MEMS-urilor au ca impuls industria de circuite electronice integrate.
Ansamblul de materiale compatibil cu siliciul cuprinde pe lângă siliciul în sine, o serie de materiale utilizate în industria de circuite integrale semiconductoare. În mod normal, pe un strat depus ca pelicula subțire de oxizi de siliciu, nitrați de siliciu și carbura de siliciu se gasesc metale precum aluminiu, titan, wolfram, cupru și polimeri. Siliciul este unul dintre foarte puținele materiale care din punct de vedere economic este fabricat în substraturi de tip “monocristalin”. Acest procedeu oferă avantaje semnificative din punct de vedere electric și mecanic.
Proprietățile mecanice ale siliciului: este un material elastic și robust, ale căror caracteristici au fost foarte bine studiate și documentate. Acumularea continuă de informații referitoare la siliciu și compușii săi în ultimele decenii, a făcut posibilă inovarea și explorarea de noi domenii tehnologice. Acestea se întind dincolo de fabricare de circuite electronice integrate. Devine evident faptul că, siliciul este o platformă de material potrivită, pe care elementele electronice, mecanice, termice, optice, și chiar și fluxul de lichid pot fi integrate.
Costul relativ scăzut în ceea ce privește achiziționarea acestor substraturi de siliciu (de aproximativ 8 $ pentru o plachetă cu un diametru de 80 mm și 10 $ pentru o plachetă de 100 mm) fapt ce le face atractive pentru fabricarea de componente și microsisteme MEMS.
Proprietăți mecanice ale sistemelor MEMS
Proprietățile acestui domeniu care prezintă interes, sunt proprietățile materialelor; aceasta reprezintă valoarea măsurată independent de metoda de testare. Implicit este înțelegerea faptului că proprietatea este, de asemenea, independentă de dimensiunea modelului de prelucrare. Procesul de fabricație pentru o anumită cantitate de carbură de siliciu este complet diferită de procesul de fabricație la carbura de siliciu în cantitate neglijabilă, și este evident, că vom avea rezultate de analiză tehnologică diferită. Societatea Americană pentru testare a materialelor definește procedurile de testare standard printr-un proces de lungă durată a proiectului și de revizuire. Multe dintre standardele comune pentru materiale structurale au fost stabilite în prima parte a secolului XX.
Standardele relevante pentru testarea proprietăților mecanice ale metalelor apar în [ASTM, 2000a] și cele pentru ceramică în [ASTM, 2000b]. ASTM Standard E-8 oferă soluții pentru testarea rezistenței metalelor, în timp ce E-9 se referă la testarea la compresiune.
După ce s-a obținut curba de stress cu diferite aproximări, următoarea etapa are la bază analiza comportamentală a materialului în procesul de proiectare. Deși încă nu există o definiție universală în ceea ce privește o denumire standard, microsistemele de tip MEMS posedă un număr de caracteristici distinctive. Ele sunt integrate, la o scară miniaturală, într-un ansamplu tehnologic care implică unul sau mai multe microsisteme. Acestea sunt adaptate la un nivel superior de funcționare, deși utilitatea lor poate fi limitată la un senzor de presiune, dar și la monitorizarea amestecului dintre mai multe lichide sub acțiunea diferitelor procese tehnologice în domeniul chimic. Utilizarea microsistemelor de tip MEMS oferă o multitudine de beneficii în ceea ce privește costul de producție, costul de întreținere, precum și modul de adaptare ridicat la cerințe multiple de preluare, stocare și livrare a informațiilor.[2]
Deși în prezent majoritatea microsistemelor de tip MEMS sunt clasificate în funcție de regimul de funcționare, precum și necesitatea acestora în diferite domenii tehnice, se fac progrese semnificative în a dezvolta un sistem MEMS în care să se integreze un număr semnificativ mai mare de întrebuințări.
Construirea acestor microsisteme este un proces evolutiv. În ultimii 30 de ani de studiu în acest domeniu s-au dezvoltat numeroase studii de fabricare a componentelor. Recent s-a elaborat un proces de integrare a componentelor în microsisteme fără sudură.
Un exemplu notabil este evoluția senzorilor pentru sisteme airbag în domeniul auto. Primii senzori aveau doar utilitatea unor comutatoare mecanice. Mai târziu au evoluat în senzori micromecanici care măsoară direct accelerarea. Actuala generație de dispozitive integrează circuitele electronice alături de un senzor de monitorizare a proceselor mecanice, pentru a oferi indici de diagnosticare și prelucare a informațiilor în regim digital pe display.
Se anticipează că următoarea generație de dispozitive va încorpora întregul ansamplu de circuite pentru monitorizare și control într-un singur sistem de siguranță. Eforturile de a dezvolta componente în microsisteme pentru controlul fluidelor sunt doar începutul acestor cercetări. Acestea ar putea duce pe viitor la integrarea de micropompe cu microvalve în lacuri de acumulare pentru a construi noi rețele miniaturale de livrare a apei.
Microtehnologiile și microsistemele produse au o serie de atribute care le fac atractive pentru piață . [2]
Avantaje :
sunt pretabile la costuri scăzute și volume mari de producție;
implica gabarite, mase și consumuri de energie scăzute;
acoperă o gamă largă din punct de vedere al funcționarii și utilității;
sunt ușor de integrat la sistemele de comandă și control electronice;
sunt bio-compatibile.
Tehnici de microfabricatie:
electroeroziunea cu fir;
prelucrarea prin ultrasunete;
prelucrări cu laser;
prelucrări la viteze ridicate cu scule diamantate.
Tehnologii specifice de fabricație:
tehnologii bazate pe microprelucrarea siliciului;
litografie;
microprelucrare în volum;
microprelucrare pe suprafață;
procedeul LIGA;
tehnologii ultraprecise de prelucrare pe mașini unelte.
În funcție de sarcina pe care o îndeplinesc, putem cataloga dispozitivele MEMS în trei categorii: senzori, actuatori și combinații ale acestora, traductoare.
CAPITOLUL 2 STADIUL ACTUAL CU PRIVIRE LA RECUPERAREA ENERGIEI DIN MEDIUL ÎNCONJURĂTOR
Surse de energie
Sursele de energie sunt multiple având rolul de a produce o anumita cantitate în funcție de necesitatea respectivă. Aceste surse se pot clasifica în funcție de caracteristicile lor, după cum urmează:
surse de energie recuperabilă ce are ca element principal recuperarea de energie, în urma unor procese mecanice;
surse de energie regenerabile bazate pe fenomene ale naturii:, circulația apei în natură, valuri sau maree, biomasa, radiația solară, vânt, metanogeneza bacteriană, căldura solului, etc;
surse de energie convenționale bazate pe bogațiile din sol:, petrol, gaze naturale, cărbune uraniu;
surse de energie bazate pe: potențialul chimic al unor substanțe, energia atomică;
surse de energie noi bazate pe: radiațiile electromagnetice.
Sursele de energie ambientală includ exemple de recuperare a energiei și cu ajutorul, vibrații mecanice, lumină, vânt, câmp electromagnetic etc. Datorită evoluției accelerate în dezvoltarea recuperării energiei solare și eoliene, domeniul de recuperare a energiei cinetice cu ajutorul microsistemelor MEMS este încă în faza incipientă. Necesitatea dezvoltării unor microsisteme de recuperare a energiei cinetice au la bază tendițele actuale de dezvoltare din domeniul ingineriei. Sistemele electrice au evoluat atât de mult încât au dus la dezvoltarea microsistemelor electromecanice (MEMS). Aceste microsisteme au aplicații în domenii precum:
senzori pentru clădiri;
senzori de monitorizare a luminii;
senzori de monitorizare a temperaturii;
rețele de senzori wireless;
senzori utilizați în domeniul militar;
implanturi medicale;
senzori de monitorizare a presiunii în pneurile autovehiculelor;
senzori de monitorizare a fisurilor de oboseală în domeniul aeronauticii, implanturi medicale, etc.
Energia solară
Energia solară reprezintă energia electromagnetică generată de soare prin fuziune nucleară. Aceasta cantitate de energie generată de astrul ceresc este de câteva mlioane de ori mai mare decât cantitatea totală de energie utilizată de toți oamenii, de la începuturi până în prezent. Radiația ultravioletă este absorbită de către atmosferă cu ajutorul vaporilor de apă, bioxidului de carbon , dar și a altor gaze rare existente în atmosfer. Radiația absorbită este transformată în căldură, obținându-se astfel o radiația difuză care este dispersată în mod necontrolabil în atmosferă. Datorita acestui proces, atmosfera se încălzește și produce la rândul ei, o radiație atmosferică cu lungime de undă extrem de mare, însă, o parte din radiația solară este reflectată de atmosfera terestră. Energia solară poate fi captată de una sau mai multe celule solare, într-un dispozitiv care convertește energia solară direct în energie electrică prin efect fotovoltaic.
Energia eoliană
Energia eoliană este o altă sursă de energie regenerabilă bazată pe puterea vântului Avantajul major al acestui tip de energie este acela că are o cantitate de emisie de substanțe poluante egală cu zero, iar emisia de gaze cu efect de seră sunt nule. Producerea de energie eoliană nu implică producerea a nici unui tip de deșeu. Cantitatea de energie eoliană a crescut cu până la 30,11 % în 2008 și cu 46,1% în 2012, având o creștere medie de 42,5% pe an în ultimul deceniu.
Energie termică
Recuperarea de energie termică cu ajutorul anumitor dispozitive pot utiliza energia termică din diferite surse: mașini, energia umană sau alte surse naturale, convertind căldură (gradient de temperatură) direct în energie electrică. Convesia funcționează pe principiul efectului Seebeck, cu randamente tipice în jurul valorii de 5 – 10%. Recuperarea de energie termoelectrică se bazează pe fluxul termic printr-un element termoelectric sau un termogenerator care cuprinde o multitudine de astfel de elemente. Fluxul de căldură este acționat de o diferență de temperatură. Tensiunea generată este proporțională cu numărul de elemente și de diferența de temperatură.
Energie mecanică
Recuperarea de energie din mediul înconjurator poate folosi energia de la corpul uman, care poate fi energie activă și pasivă, în funcție de comportament, dar și energia din vibrații, mișcare aleatoare, deformatoare, fluctuația presiunii și uneori folosește debitul din mediu (râuri, vânt, valurile oceanului, etc). Surse adecvate de recuperare a energiei din energia mecanică sunt:
comportamentul uman activ și pasiv;
amortizoare și mișcare liniară;
mișcare aleatoare;
vibrații.
Recuperarea de energie electrică din mediul ambient cu ajutorul unui sistem mecatronic este reprezentat dintr-un generator de sistem mecatronic complex, care include un sistem mecanic, un sistem electro-magnetic, un sistem electronic, precum și un sistem de autodetectare între sisteme. Fiecare parametru de acest sistem mecatronic afectează funcționarea sa optimă.
Fabricarea unui microsistem pentru recuperarea de energie are la baza criteriilor de dimensionare la o scară cât mai redusă și cantitatea de energie recuperată. Pentru realizarea unui potențial maxim de recuperare a energiei trebuie să existe o optimizare solidă a parametrilor optimi ai întregului microsistem. Generatorele de putere ce utilizează vibrațiile pot produce tensiune necesară pentru diferite categorii de aplicații. Putem spune că un microsistem permite repetarea unor cicluri de funcționare, figura 2.1. cu cerințe de proiectare și modelare realizate în programul SolidWorks (ex: volum, greutate, durata de viață, gama maximă de temperatură, etc). Acesta abordare este potrivită pentru optimizarea proiectării unui microsistem, prin îmbunătățirea proprietăților de proiectare pe baza cerințelor cerute sau de regimul de optimizare a parametrilor de intrare/ieșire.
Fig. 2.1 Schema bloc a unui generator de recuperare a energiei din mediul înconjurător [3]
Stocarea energiei
În prezent există două metode principale de stocare a energiei: supercapacitorii și acumulatorii reîncarcabie. Cantitatea de energie recuperată poate varia în raportul dintre timp și de mediul de activitate în care lucrează microsistemul. Astfel, putem spune că este direct dependentă de puterea disponibilă în mediul înconjurător. Criteriile de funcționare a microsistemelor au la bază caracteristici care includ durata de viață ale acestora, capacitatea de asimilare, stocare și eliminare a energiei cinetice în funcție de mediul ambiant.
Recuperarea energiei cinetice cu ajutorul unui micrositeme necesită un mecanism de conversie a mișcării (din diferite surse), în energie electrică, dar și o punte de legătură între mediul activ la mecanismul de conversie.
Pentru dispozitivele de înaltă precizie este nevoie a se depăși zona de confort din prezent și atingerea de noi limite specifice tehnologiei viitorului. Acest comportament precaut combinat cu dezvoltarea accentuată a noilor tehnologii, a dus la existența unor produse derivate care în prezent sunt introduse în societate. Dintre aceste produse derivate, microsistemele MEMS nu fac excepție. Pentru prima dată în 1979 la Universitatea Standford a avut loc o demonstrație de microprelucrare a unui accelerometru. Totuși a fost nevoie de 15 ani pentru ca acest studiu să devină fiabil, exemplu un airbag. Acest dispozitiv a fost dezvoltat mai apoi pe linia de producție, după lungi etape de proiectare, testare, reproiectare și certificare din punct de vedere tehnic. Procesul a fost de lungă durată și în ceeea ce privește sistemele încorporate.
Sistemele de recuperare a energiei sunt dependente de autonomia de putere, astfel cantitatea de energie recuperată de un sistem poate varia în timp. [Mitchenson et al. 2003, Becker et al. 2008]. În ceea ce privește tehnologiile folosite de recuperare energiei din mediul înconjurător, acestea depind de caracteristicile, precum și de aplicațiile pe care le utilizează fiecare sistem în parte. Aceste caractesistici includ durata de viață, variația cantității de energie recuperată, precum și restricțiile impuse de mediul ambient.
În prezent, în domeniile de sisteme integrate, rețele de senzori wireless, precum și electronice cu un consum redus de energie, cum ar fi microsistemele MEMS, reprezintă o sursă importantă de energie. Datorită limitării surselor de energie finită, precum și necesitatea de furnizare a acesteia, cu o durată de viață mai mare, există o cerință crescută pentru realizarea de dispozitive autonome din punct de vedere energetic. Datorită unor progrese semnificative în domeniul senzorilor, unele aplicații necesită o conectare la o rețea de senzori pentru a avea o durată de viață lungă. Utilizarea bateriilor convenționale nu este întotdeauna avantajos, deoarece necesită intervenție umană pentru a le înlocui.
Comparație între surse de recuperare a energie
Clasificarea surselor de recuperare a energie pot fi organizate pe baza randamentului de producere a energiei. Spre exemplu dispozitivele piezoelectrice transformă energia mecanică în energie electrică. Surse de recuperare a energiei sunt urmatoarele: turbinele eoliene, celulele fotovoltaice, generatoarele termoelectrice și dispositivele ce folosesc vibrațiile mecanice, cum ar fi dispozitivele piezoelectrice, dispositivele electromagnetice. În tabelul 2.1 sunt prezentate câteva metode de recuperare a energiei, precum și cantitatea de energie produsă.[4]
Tabelul 2.1
Fry și colab. [5] au descris proprietățile generale care trebuiesc luate în considerare pentru a caracteriza un generator de energie portabilă. Lista include proprietăți electrice, (ex: energia produsă, tensiunea maximă), precum și proprietăți fizice, cum ar fi mărimea, forma și greutatea. Proprietățile de mediu, (ex: rezistența la interacțiunea la apa, temperatura de funcționare), dar și proprietăți operaționale și de întreținere.
Recuperarea energiei din mediul ambient
Mișcarea relativă excitată de un sistem în mișcare sau deformarea mecanică a unor structuri inteligente reprezintă principiul fizic de conversie electro-mecanic din energie mecanică. Aceasta mișcare relativă, poate fi transformată în energie electrică prin urmatoarele metode fizice:
conversie electromagnetică;
conversie piezoelectrică;
conversie electrostatică;
conversie prin magnetostricțiune.
Fiecare principiu de conversie de energie este potrivit pentru diferite aplicații. Alegerea metodei de conversie a energiei este importantă pentru recuperarea de energie cu randamentul cât mai ridicat. Cantitatea de energie recuperată, reprezintă un criteriu esențial de utilizare a acestor surse alternative. Cantitatea de energie produsă de un generator de recuperare a energiei este de obicei foarte variată.
Fig. 2.2 Model schematic al unui sistem de recuperare a energiei din mediul înconjurător [4]
În fig 2.2 este prezentată o diagramă schematică a modului de recuperare a energiei. Sistemul de recuperare a energiei constă dintr-un generator, un dispozitiv electronic de gestionare a curentului, dispozitiv de alimentare și o sursă de stocare. Eficiența unui flux de energie este furnizată de circuitul de gestionare a energiei. Sistemul de recuperare a energiei include circuitul de producere a energiei, care este adaptat la procesul de recuperare a energiei. Dispozitivele de recuperare pot include și elemente de stocare a energiei în cazul acumulării unui surplus de energie electrică. Cele mai multe dintre aplicații utilizează cele două moduri de lucru: un mod activ pentru procesare (detectare, prelucrare a semnalului sau de comunicare) și un mod de așteptare, atunci când sistemul este inactiv. Ambele moduri furnizează feedback diferit sistemului.
. Dispozitive de recuperare a energiei electrice bazate pe fenomenul piezoelectric
Datorită capacității materialelor piezoelectrice de a detecta vibrațiile, acestea au devenit o sursă de energie viabilă. În prezent, o mare varietate de materiale piezoelectrice sunt disponibile pentru alegerea corespunzătoare pentru detectare, recuperare, stocare a energiei. Policristalinul ceramic este un material des întâlnit în structurile componentelor piezoelectrice. Plumbul zirconat titanat (PZT) demonstrează o eficiență ridicată în conversia energiei mecanice în energiei electrică. Caracteristicile anizotrope, precum și proprietățile piezoelectrice ale materialelor diferă în funcție de direcția forțelor și orientarea polarizării electrozilor[6]. Pentru a recupera energie din mediul înconjurător se folosesc tot mai des materiale piezoelectrice ce necesită implementarea unei soluții de stocare a energiei generate. Acest lucru înseamnă că poate fi implementat un circuit utilizat pentru a recupera și stoca energia. Aceste materiale transformă energia mecanică din vibrații sau forță în energie electrică, fiind capabile să genereze sarcină electrică atunci când o sarcină mecanică este aplicată asupra lor. Aceaste proprietăți ale materialelor piezoelectrice sunt considerate de către unii cercetători o metodă eficientă de a dezvolta diverse dispozitive piezoelectrice, în scopul de a alimenta diferite device-uri. [5] Energia recuperată poate fi stocată în baterii reîncărcabile, acesta fiind o soluție mult mai eficientă fata de utilizarea condensatorilor, datorită regimului scăzut de stocare a energiei în dispozitivele ce folosesc electronică de calcul [7].
Cercetatorii Umeda și colab. [8] au dezvoltat un sistem compus dintr-ul piezo-generator ce a conținut o punte redresoare și un alt condensator pentru stocarea energiei fapt ce a dus la obținerea unui randament maxim de 35%, ceea ce reprezintă o eficientă de trei ori mai mare decât energia recuperată de la o celulă solară [7]. Cercetatorul Elvin și colaboratorii săi au realizat un dispozitiv mecanic cu alimentare propie, experimentul fiind realizat pentru a produce energie electrică într-un dispozitiv ce folosește tensionarea mecanică prin atașarea unui senzor în proximitatea unui fascicul, pentru a genera curent electric. [5]
Conform Glynne-Jones, și colab. [9], deasemenea a realizat un dispozitiv de recuperare a energiei compus dintr-o structură cu o peliculă grosă de strat piezoelectric, depus pe un element de oțel subțire. Când fasciculul este rezonant, materialul piezoelectric generează energie electrică iar deformarea structurii schimbă magnitudinea de tensiune generată. Acest grup de cercetatori își continuă experimentele în acest domeniu și se pregătește în prezent cu un nou studiu detaliat pentru a optimiza atât generatoarele piezoelectrice de recuperare a energiei, cât și dezvoltarea unur structuri ce conțin micromagneții și o microbobină.
Primul exemplu de recuperare a energiei electrice dintr-un material piezoelectric a fost produs de impactul prin cădere liberă, realizat de o bilă din oțel, având atașată un traductor piezoelectric [6]. Această energie este stocată într-un condensator sau o baterie.
Callaway și Edgar precizează în lucrarile sale câteva metode constructive pentru recuperarea de energie electrică cu ajutorul componentelor piezoelectrice în cazul în care activitatea umană este implicată [10]. Ca exmplu, materialul piezoelectric cum ar fi fluorura de viniliden (PVDF) poate fi atașată pe tocul unui pantof. Când pantoful atinge pământul, energia eliberată este convertită de către dispozitivul piezoelectric în sarcină electrică. În cartea lor despre Wireless Sensor Networks [10], Callaway și Edgar discută, de asemenea, despre un model de generator piezoelectric de tip "swich wireless". Tensiunea generată este utilizată printr-un nod de rețea cu transmisie wireless. Un studiu este în prezent în curs de desfășurare pentru a examina tensiunea generată prin introducerea dispozitivelor piezoelectrice în implanturi ortopedice [11]. Recuperarea de energie cu ajutorul dispozitivelor piezoelectrice se încadrează în două domenii-cheie. Una dintre ele, structuri de recuperare a energiei este în curs de dezvoltare optimă și celălaltă este proiectarea circuitelor electrice.
Unele cercetari, efectuate la Universitatea din Pittsburgh se concentrează pe dezvoltarea unor structuri cu dimensiuni cat mai reduse, ușoare cu un randament eficient produsă de o excitație mecanică, ce produce energie electrică. Aceastia au realizat dispozitive optimizate, care sunt capabile de a converti energia din mediul ambiant în energie electrică.
Ottman și colab. [12] au demonstrat fiabilitatea acestor dispozitive MEMS, care produce o eficiență mult îmbunătățită față de modelele existente folosind energii din vibrații mecanice. Un astfel de dispozitiv folosește un convertor cu treaptă, producând un randament de peste patru ori puterea unui circuit obișnuit de recuperare a energiei din mediul înconjurator.Astfel, a fost recuperată o cantitate de 70 mW, ceea ce este suficient pentru a alimenta o retea cu senzori. Acest lucru poate fi considerat un pas important în producerea energiei generate de materialele piezoelectrice.
Componentele piezoelectrice pot varia în funcție de durata de viață, stresul la care sunt supuse, precum și temperatura la care acestea funcționeaza. Un avantaj major în utilizarea materialelor piezoelectrice o reprezinta generarea directă a unei tensiuni. Aceste generatoare sunt compatibile cu dispozitivele MEMS, fiind folosite în aplicații de recuperare a energiei [6]. Unele dezavantaje arată că materialele piezoelectrice sunt sensibile în ceea ce privește funcționarea în anumite condiții de lucru, fapt ce duce la o anumită pierdere de energie.
Atunci când un material piezoelectric este supus un vibrații mecanice, se produce o anumită cantitate de tensiune (figura 2.3). Un exemplu în acest sens îl reprezintă generatoarele piezoelectrice ce se bazează pe aplicarea unei forțe perpendiculare asupra unor conectori. Cantitatea de energie obținută în primul exemplu poate fi îmbunătățită prin folosirea unei structuri multistrat, fiind necesară o cuplare pe direcție orizontală, astfel tensiunea aplicată sistemului este amplificată.
b)
Figura 2.3. a) Reprezentare schematică a unui sistem piezoelectric [12]
Figura 2.3 b) circuitul electric echivalent al sistemului piezoelectric [12]
Materialele piezoelectrice de recuperare a energiei se apropie din punct de vedere tehnic de principiul electromecanic de transductie. Astfel la rezonanță, ca date de intrare pentru excitarea de bază a structurii de recuperare a energiei cu element piezoelectric poate fi anexat și un circuit simplu, la un dispozitiv extern de stocare a energiei.
Dispozitive electrostatice de recuperare a energiei din mediul înconjurător
Dispozitivele electrostatice au la bază recuperarea energiei din vibrații. Generatoarele electrostatice sunt dispozitive mecanice care produc tensiune [11]. Roundy și colab. [14] descrie avantajul major prin integrarea convertoare electrostatice în dispozitivele microelectronice. Unul dintre dezavantajele utilizării convertoarelor electrostatice este acela că, acestea necesită o sursă suplimentară de tensiune pentru a încărca inițial condensatorul. Atunci cand o structură inerțială este supusă unor forțe din miscare mecanică,(ex: vibrații), aceasta poate produce o anumita cantitate de energie. Această mișcare mecanică poate fi convertită în energie electrică cu ajutorul a trei categorii de componente:
piezoelectrice;
electrostatice;
electromagnetice.
Pământul transmite o anumită cantitate de vibrații de frecvență joasă în mod constant, iar rezultatul acestora este datorat mișcărilor din mediul înconjurator.[Amirtharajah 1999]. Au fost efectuate studii experimentale privind modul de producere a unei tensiuni prin atasarea unui dispozitiv în miniatură pe corpul uman, însă s-a constatat că aceasta metodă trebuie oprimizată, deoarece nu se putea produce o tensiune constantă. Însă prin generarea de impulsuri se produce o tensiune ce poate fi stoacată. Acestea pot reprezenta surse viabile de energie, atât timp cât impulsurile apar la anumite frecvențe, astfel încât să îndeplinească cerințele de recuperare a tensiunii.
În prezent există numeroase surse de vibrații, însă cele care sunt în stare de echilibru sunt cel mai des folosite în alimentarea cu tensiune a sistemelor electronice.
O importanță deosebită o reprezintă vibrațiile produse de corpuri mobile cu dimensiuni relativ mari, ce au în componență elemente mobile, dar și senzori cu rol de monitorizare a modului de funcționare în parametrii stabiliți.
Ca sursă alternativă de energie, generatoarele ce recuperează energie cu ajutorul vibrațiilor mecanice, au devenit în ultima vreme din ce în ce mai răspândite pe piața emergentă. Recuperarea energiei din vibrații, se poate realiza prin utilizarea unuia din cele trei principii:
electrostatic;
piezoelectric;
electromagnetic.
Metoda de recuperare a energiei din vibrații mecanice prin conversie electrostatică constă în utilizarea a două structuri, care se mișcă în sens opus una față de cealaltă, fiind separate de un dielectric, cu rol de dispozitiv electric pasiv ce înmagazinează energie(capacitor).
Fig. 2.4 Schema de principiu a conversiei electrostatice [14]
Fig.2.5 Circuitul electric echivalent conversiei electrostatice [14]
Generatoarele electrostatice se pot clasifica în trei tipuri:
generatoare electrostatice cu variația suprafaței dintre conductorii electrici în plan;
generatoare electrostatice cu variația distanței dintre conductorii electrici în plan;
generatoare electrostatice cu variația distanței dintre conductorii electrici în afara planului.
Pentru a obține o anumită cantitate de energie cinetică recuperată din vibrații mecanice, este necesar să folosim un mecanism de conversie a mișcării în energie electrică, prin realizarea unui sistem mecanic de conversie a mișcărilor controlate. În cadrul proiectării unui astfel de sistem trebuie avut în vedere maximizarea cuplajului dintre mecanismul de conversie electromecanis și sursa de energie cinetică
Energia rezultată din vibrații reprezintă sursa de funcționare a generatoarelor inerțiale. Sistemul inerțial transmite vibrațiile mecanice la o masă inerțială suspendată, producând o deplasare relativă în raport cu aceasta. O atenție deosebită cu privire la proiectarea sistemului o reprezintă modul de optimizare a componentelor ce vor rezona cu frecvențele caracteristice ale mediului în care acesta funcționenează, asigurând astfel o amplificare a vibrațiilor mecanice din mediu cu valoarea factorului de calitate al sistemului rezonant.
Roundy et al. 2003b au dezvoltat un dispozitiv ce variază la distanța dintre conductotul electric în acelasi plan, soluție de a dus la producerea unui volum mare de tensiune recuperată. Recuperarea unei cantități mari de tensiune depinde de un spațiu dielectric cât mai mic. Proiectarea unui astfel de dispozitiv de recuperare a energiei cinetice din vibrații, are ca scop maximizarea cuplului dintre sursa de energie și sistemul de conversie electromecanic. Acesta depinde de caracteristicele de mișcare din mediul înconjurător.
Recuperarea energiei cinetice din vibrații mecanice are la bază un mecanism de conversie a mișcării în energie electrică, fiind realizată în 2 etape. Principiul general al sistemelor de recuperare a energiei cinetice din vibrații este reprezentat în figură 2.6.
Soluția prezentă în majoritatea acestor sisteme de recuperare a energiei cinetice este constituită dintr-un oscilator mecanic compus dintr-o masă (greutate) și un resort. Astfel masa inerțială este conectată la vibrațiile mecanice din mediul înconjurător printr-o structură elastică (resort). Masa inerțială oscilează într-un sistem de referință producând energie cinetică.
Fig. 2.6 Principiul general de recuperare a energiei cinetice din vibratii mecanice [15]
Conversia energiei mecanice în energie electric, constituie următoarea etapă. Astfel, asupra masei este aplicată o forță de amortizare pentru producerea unui lucru mecanic negativ asupra sistemului mecanic. Forța de amortizare este compusă din două componente:
inerția masei care este direct proporțională cu pierderile de energie;
tensiunea indusă prin conversia electromecanică.
Sisteme electromagnetice de recuperare a energiei din vibrații
Atunci când sistemul conține o structură vibrantă, sub acțiunea unei forțe acționate mecanic se produce o mișcare relativă a corpul mobil în raport cu structura, producând o anumită cantitate de energie. Deplasare relativă, este de formă sinusoidală, determinând un flux magnetic ce trece printr-o bobină. Acest lucru duce la producerea unei tensiune în bobină datorită variației fluxului câmpului magnetic produs de deplasările magnetului în raport cu bobina, prin aplicarea legii inducției lui Faraday.
Circuitul electric rezultat este unui simplu format din rezistența bobinei (R), inductanța bobinei (L) în serie cu rezistența bobinei (R) și rezistența de sarcină. Cantitatea de energie produsă depinde de potențialul câmpului magnetic, viteza de deplasare și numărul de spire din bobină.
Cu ajutorul legii lui Faraday se poate determina tensiunea pe bobină:
(4.21)
unde:
e este tensiunea indusă;
ΦB este fluxul magnetic.
Cantitatea de energie recuperată este direct proporțională cu viteza de deplasare a magnetului mobil în raport cu bobina. Există posibilitatea de a integra și o sarcină rezistivă alimentată de o tensiune alternativă.
Generatoarele electromagnetice pot fi clasificate astfel:
generatoare cu resort;
generatoare cu consolă;
generatoare cu membrană;
generatoare cu levitație magnetică.
a) Exemplu de generator electromagnetic cu resort
Amirtharajah et al. 1998 au dezvoltat un dispozitiv ce transformă energia mecanică în energie electrică, având la bază efectul mișcări ale magnetului mobil suspendat de un resort, figura 2.7. Sistemul conține o bobină cu mai multe spire, ce execută o mișcare verticală in jurul axei sale. Rezistența bobinei este de 12 Ω, masa antrenată în mișcare are o greutate de 0.4 grame și o constantă elastică, k=175 N/m. În urma studiului experimental s-a obținut o tensiune U=0.10V, la o frecvență de rezonanță f= 90 Hz.
Scopul acestui studiu, a fost de a realiza un dispozitiv de recuperare energiei cinetice, care să poată fi atașat corpului uman.
Fig.2.7. Schema unui generator electromagnetic cu resort [16]
b) Exemplu de generator electromagnetic în consolă
Beeby et al. 2007 au făcut cercetări privind realizarea generatorului electromagnetic în consolă integrând 3 bobine diferite (figura 2.8.). În urma studiilor experimentale s-a constatat că frecvența de rezonanță variază nesemnificativ pentru fiecare bobină în parte, iar cantitatea de energie recuperată este aproximativ aceiași. În tabelul 2.2 sunt prezentate rezultatele experimentale în raport cu bobina folosită.
Fig. 2.8 Schema generatorului electromagnetic cu consolă [17]
Tabelul 2.2
c) Exemplu de generatoar electromagnetic cu membrană
În figura 2.9. este reprezentat un sistem electromagnetic cu structură cu membrană. [18]. Arhitectura generatorului constă dintr-o masă inerțială m atașată pe o membrană cu elasticitate k. În momentul în care generatorul este supus unei vibrații mecanice, sub acțiunea unei forțe exterioare, se produce o mișcare defazată în raport cu structura.
Printr-o mișcare sinusoidală se poate produce energie electrică la bornele unui traductor electromagnetic. Traductorul are rol de amortizor, în acest caz fiind amortizate vibrațiile, rezultatul fiind conversia energiei mecanice în energie cinetică. Dimensiunile traductorului electromagnetic descris de autor sunt urmatoarele 5x5x1mm. În urma analizei efectuate, producerea energiei a fost estimată la 1 μW pentru o frecvență de 70 Hz și 100 μW la o frecvență de 330 Hz.
Fig. 2.9 Secțiune transversală a generatorului [18]
d) Exemplu de generator electromagnetic cu levitație magnetică
O altă metodă utilizată pentru fabricarea generatoarelor electromagnetice, are la bază principiul levitației magnetice. Se folosesc doi sau mai multi magneți staționari, orientați cu același pol către un magnet mobil. Metoda este relativ noua și implementată cu succes datorită costurilor de fabricație reduse.
Cercetătorul Domme în anul 2008 a realizat două astfel de generatoare electromagnetice de dimensiuni diferite, dar pe același principiu, așa cum este prezentat în figura 2.10.a, și 2.10.b. Acesta a dezvoltat un generator ce are în componență mai mulți magneți permanenți magnetizați axial, orientați vertical, fiind poziționați în interiorul unui cilindru cu polii față în față. Pe extremități sunt atașați doi dintre magneți, iar in interior este introdus un magnet ce se afla în stare de echilibru. Bobina are patru înfășurări (nr. de spire), legate în serie, fiind fixată la exteriorul cilindrului. Atunci când cilindru se află sub actiunea unei vibrații mecanice, magnetul execută o mișcare de translatie, iar la bornele bobinei se poate măsură o tensiune.
a) b)
Figura 2.10. a) Schema unui generator, b) generator electromagnetic [19]
În tabelul 2.3. sunt prezentate proprietățile generatoarelor electromagnetice, iar în tabelul 2.4. sunt prezentate rezultate obținute. Spectrul de frecvențe la care a fost supus generatorul este cuprins între 12-100 Hz. Un nivel considerabil al puterii este obținut pentru frecvențe până la 24 Hz, iar dupa această frecvență se observă o scădere puternică a nivelului de energie recuperat.
Proprietățile generatoarelor electromagnetice
Tabelul 2.3.
Proprietățile generatorului
Tabelul 2.4.
CAPITOLUL 3 STADIUL ACTUAL AL ACTUATORILOR MEMS
Concepte si definiții
Numim “actuator” dispozitivul ce convertește energia electrică, pneumatică, termică, etc. în energie mecanică, arhitectura acestuia fiind compusă dintr-o singură structură, astfel nu există posibilitatea de a mai fi descompus în mai multe substructuri, doar cu riscul de a pierde eficiența de generare a mișcării.
Actuatorii au o serie de particularități care îi diferențiază, particularități rezultate din caracteristicile generale ale tehnologiei mecatronice.
Actuatorii sunt elemente ale sistemelor de acționare, unde conversia energiei are ca rezultat propagarea și conversia informațiilor. Sistemele de acționare asigurǎ fluxul de comenzi, conform cerințelor date de operator, precum și fluxul de semnale de control, acționând ca niște sisteme automatizate, ce au în componență senzori și traductoare.[20] Caracteristicile actuatorilor sunt ummătoarele:
acționare;
structurală, prin preluarea de sarcini și încărcări;
senzorială, cu rol de a integra atât senzori cât și traductoare.
Actuatorii utilizează semnale pentru transmiterea comenzii, semnale de control și semnale senzoriale, asemănătoare cu semnalele pentru transmiterea energiei, semnale de acționare,având următoarea structură (Fig.3.1):
Fig. 3.1 Structura unui actuator [20]
Prin intermediul câmpurilor electrice și magnetice se poate realiza conversia energiei de intrare în căldură disipată și energie utilă de ieșire, sub efectul unuia sau mai multor fenomene fizice, ex: fenomenul magnetostrictiv, fenomenul piezoelectric, fenomenul de memorare a formei, etc. Structura unui actuator poate să transforme, să amplifice și să transmită informație, fiind în permanentă legatură cu celelalte elemente ale sistemului din care face parte.
Se utilizează frecvent tehnologiile neconvenționale pentru a asigura o bună prelucrabilitate și posibilități de asamblare a componentelor actuatorului, precum și tehnologiile specifice microstructurilor și nanostructurilor.
Microactuatorii reprezintă dispozitive cu dimensiuni în intervalul (10-3 – 10) mm și care materializează un principiu funcțional aplicabil în gama micro. Microactuatorii sunt fabricați folosind tehnologiile specifice micromecanicii. Pe lângă microactuatorii electrostatici, piezoelectrici sau electromagnetici care sunt în mod curent investigați, materialele magnetostrictive, electrostrictive și aliajele cu memoria formei devin tot mai utilizate . Acești microactuatori deschid noi posibilități, deoarece ei se bazează pe principii de funcționare complet diferite față de actuatorii convenționali. În comparație cu actuatorii convenționali, microactuatorii folosesc, în general, acționări directe fără elemente de transmisie mecanică. Atunci cand un actuator este integrat intr-un sistem, se fac conexiuni directe între procesarea de informații din unitatea de control a sistemului cu procesul ce trebuie analizat.
O reprezentare schematică a unui actuator integrat este prezentată în figură 3.2, unde semnalul de control generat cu ajutorul informației senzoriale este transformat în mișcare prin intermediul actuatorului.
Fig.3.2 Integrarea unui microactuator într-un microsistem[20]
Actuatorii, se realizează într-o gamă foarte variată, putând fi concepuți sub formă de actuatori rotativi sau liniari, având în structură unul sau mai multe elemente active. [20]
Procesul de acționare se poate realiza pe trei direcții:
procesul de acționare este bazat pe o interacțiune mecanică, asigurând fluxul de energie cu ajutorul unui agent, a cărui presiune determină deformarea unor elemente active din sistemul respectiv.
procesul de interacțiune a câmpurilor magnetice cu sarcinile electrice, dar si cu câmpul curentului electric, dau naștere unor actuatori care au o cursă limitată, spre exemplu electromagneții.
procesul de acționare duce la deformații liniare și unghiulare limitate, actuatorul are în componență unul sau mai multe elemente din materiale cu memoria formei, structură sub formă de lamelă, formă de disc, astfel încât se se obțină deplasări liniare cât și deplasări unghiulare.Prin mișcarea de rotație sau de translație se pot produce deformații liniare și unghiulare limitate. [20]
Actuatorii se pot comanda în funcție de semnalul de intrare, astfel:
– actuatori comandați prin intermediul unui flux de căldură:
actuatori ce au în componență elemente active din materiale cu memoria formei;
actuatori ce acționează pe bază de dilatare a gazelor;
actuatori ce au în componență elemente active bimetalice;
actuatori pe bază de ceară.
– actuatori comandați prin intermediul intensității câmpului electric:
actuatori electrostatici;
actuatori ce au în componență elemente de tip piezoceramici sau piezopolimeri;
actuatori electroreologici;
– actuatori comandați prin intermediul inducției câmpului magnetic:
actuatori electromagnetici;
actuatori magnetostrictivi;
actuatori ce au în componență elemente de tip ferofluide;
Actuatorii care sunt integrați în diferite aplicații din domeniul micromecatronicii, aduc un aport benefic elementelor de execuție utilizate curent, anume servomotoarele de curent continuu, motoarele de curent continuu, motoarele pas cu pas, elementele de execuție pneumatice, hidraulice etc. Principalul criteriu de diferențiere a microroboților este reprezentat de sistemul de acționare în particular de tipul actuatorilor/ microactuatorilor utilizați.
Astfel, mai jos este prezentată o schemă simplificată a actuatorilor cu aplicații în recuperarea de energie, figura 3.3.
Fig. 3.3 Reprezentarea transformării energiilor [20]
Criteriul de clasificare utilizat este cel al energiei de intrare, convertită de actuatori în energie mecanică fig. 3.4. Examinând această schemă bloc se desprind următoarele observații importante:
transformările energetice presupun anumite sensuri determinate, deci nu toate tipurile de energie se pot transforma nemijlocit în toate celelalte.
toate tipurile de energie sistematizate în schema bloc se transformă în energie mecanică;
Fig. 3.4 Componentele definitorii ale micromecatronicii[20]
Pentru a analiza, proiecta, dezvolta, implementa noi sisteme MEMS, proiectantul trebuie să sintetizeze arhitecturi avansate, să integreze cele mai recente progrese în nano și microactuatori/senzori (traductoare), structuri inteligente, circuite integrate (ICS) și multiprocesoare, fabricație și materiale, proiectare structurală și optimizare, modelare și simulare, etc. Este evident faptul că noile arhitecturi optimizate de NEMS și MEMS (cu procesoare sau multiprocesoare, ierarhii de memorie și parelelism multiplu pentru a garanta un calcul și o putere de luare a deciziilor avansate), noi structuri și actuatori, circuite integrate (IC) și antene, precum și alte subsisteme, joacă un rol esențial în avansarea cercetărilor, a evoluției și a punerii în aplicare a rezultatelor. Sistemele electromecanice, după cum sunt prezentate în figură 3.1, pot fi clasificate astfel:
sisteme electromecanice convenționale;
sisteme microelectromecanice (MEMS);
sisteme nanoelectromechanice (NEMS).
Principiile de operare și fundațiile de bază a sistemelor convenționale și electromecanice
MEMS. S-a folosit folosit principiile de mecanică implementate de către Newton și Lagrange, precum și principii electromagnetice (ecuațiile lui Maxwell) pentru a studia sistemele convenționale și electromecanice și sistemele MEMS. Figura 3.3 prezintă teoriile fundamentale folosite pentru a studia procesele și fenomenele în sistemele micro și nanoelectromecanice convenționale.
Cercetările în domeniul integrării și a optimizării (arhitecturi optimizate și optimizare structurală) acestor subsisteme nu au fost instituite și efectuate, iar performanțele și comportamentul trebuie studiate de la un capăt la altul (procesoare – rețele – subsisteme de intrare/ieșire – circuite integrate/antene – actuatori/senzori).
Sistemele MEMS, pot integra un procesor (multiprocesor) și memorii, rețele de înaltă performanță și sisteme de intrare/ieșire (IO), sunt mult mai complexe decât sistemele MEMS folosite uzual în acest moment.
În particular, sistemele MEMS pe scară largă pot integra:
procesoare de înaltă performanță sau multiprocesoare;
baze de date heterogene interconectate și distribuite;
mii de noduri de actuatori/senzori de înaltă performanță și structuri inteligente controlate de circuite integrate și antene;
memorii cu stagii multiple și ierarhii de stocare cu diferiți timpi de accesare a datelor (mii de dispozitive de stocare secundare și terțiare încărcate cu arhive de date);
rețele de comunicare de înaltă performanță (rețele robuste, adaptabile, inteligente).
Importanța dezvoltării de modele matematice și analize numerice a fost accentuată. Simularea numerică sporește, dar nu înlocuiește metodele de cercetare fundamentale. Mai mult,
simulările explicite ar trebui bazate pe studii fundamentale sigure și trebuie validate prin experimente. Totuși, este evident faptul că simulările conduc la înțelegerea performanțelor sistemelor MEMS complexe, microstructuri, dispozitive și subsisteme, la reducerea timpului și a costului procesului, pe care trebuie să îl urmeze tehnologiile sistemelor MEMS, de la concept la dispozitiv/sistem, și de la dispozitiv/sistem la scoaterea pe piață. Cercetările fundamentale și aplicate sunt nucleul simulării, iar eforturile trebuie concentrate asupra modelărilor complete și asupra calculării avansate eficiente. Pentru a studia complet sistemele MEMS, sunt necesare instrumente avansate de modelare și calcul în primul rând pentru simulări și modelări intensive de tip 3D+ (dinamica geometrică tridimensională), pentru a studia comportamentul dinamic complet al actuatorilor și a senzorilor. Modelele matematice ale sistemelor MEMS, împreună cu componentele acestora (structuri, dispozitive și subsisteme), trebuie dezvoltate. Aceste modele (augmentate cu algoritmi computaționali eficienți, computere terascalare și software avansat) vor juca un rol major în simularea și proiectarea de sisteme MEMS din punctul de vedere al realizării rapide de prototipuri virtuale.[20]
Exemple de sisteme de acționare cu actuatori electrostatici
Forțele electrostatice dintre armăturile actuatorului au direcții perpendiculare (FESd) sau
tangențiale (FESa), (fig. 3.5.a)
(3.1)
(3.2)
unde:
a, b – dimensiunile laterale ale armăturilor;
d – distanța dintre armături;
U – tensiunea aplicată;
E – intensitatea câmpului electric.
În relația (3) εr – permitivitatea relativă a dielectricului este 1 pentru vid și foarte apropiată de 1 pentru aer.
a) b)
Fig. 3.5 Actuator electrostatic [21]
Actuatorii electrostatici utilizează forța de atracție electrostatică dintre două corpuri cu sarcini electrice total diferite (Fig. 3.6).
Fig. 3.6 Reprezentarea actuatorilor electrostatici utilizand forța de atracție electrostatică [22]
Această forță se calculează pe baza energiei câmpului electrostatic, WE dată de relația:
(3.3)
unde:
C – capacitatea condensatorului format din cei doi electrozi;
U – tensiunea aplicată.
Cei doi electrozi plani și paraleli de arie S aflați la distanța d unul de celălalt (fig. 3.7) formează un condensator a cărui capacitate este:
(3.4)
unde:
Q – sarcina electrică;
ε – permitivitatea mediului dintre electrozi (ε = ε 0 ε r);
ε0 – permitivitatea vidului (ε0 = 8,854·10–12 F/m);
εr – permitivitatea relativă a mediului;
E – intensitatea câmpului electric dintre armături.
Forțele dezvoltate de-a lungul celor trei direcții (Ox, Oy și Oz) sunt definite de derivatele parțiale ale energiei câmpului electrostatic:
, , (3.5)
Fig. 3.7 Actuatorul electrostatic plan paralel [21]
Unii actuatori electrostatici au o comportare neliniară, fiind necesare metode numerice pentru proiectarea și simularea funcționării lor. Metodele analitice ce ilustrează conceptele de bază utilizate la proiectarea actuatorilor electrostatici sunt prezentate în continuare.
Cazul mișcării perpendiculare pe suprafața armăturilor
Tensiunea U aplicată armăturilor plane ale condensatorului din figura 3.5.a), este constantă, iar armăturile nu au posibilitatea de a se deplasa de-a lungul axelor Oy și Oz ci numai pe direcția axei Ox.
Cazul mișcării perpendiculare pe suprafața armăturilor
Tensiunea U aplicată armăturilor plane ale condensatorului din figura 3.8, este constantă, iar armăturile nu au posibilitatea de a se deplasa de-a lungul axelor Oy și Oz ci numai pe direcția axei Ox.
Fig. 3.8 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării
perpendiculare [22]
Capacitatea este , astfel că forța orientată pe Ox, în sensul micșorării distanței dintre armături conform relațiilor (3.4) și (3.5) este:
(3.6)
Analizând expresia forței electrostatice dată de relația (3.5), rezultă că aceasta depinde de tensiunea aplicată, distanța dintre electrozi și aria lor. Deasemenea grosimea structurilor și volumul lor nu influențează modul de acționare a forței de suprafață. Acest lucru favorizează posibilitățile de miniaturizare a actuatorilor electrostatici prin aplicarea microtehnologiilor de suprafață. În contextul aplicațiilor practice, un actuator dezvoltă un lucru mecanic împotriva unei sarcini. În multe cazuri, aceasta poate fi modelată printr-un sistem format din element elastic și masă.
Cazul mișcării laterale față de suprafața armăturilor
La deplasarea laterală a electrozilor plani și paraleli, forța electrostatică în lungul axei Oy este dată de relația (fig. 3.9):
(3.7)
Fig. 3.9 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării laterale [22]
Capacitatea condensatorului format este proporțională cu suprafața comună a armăturilor:
unde:
y și z sunt dimensiunile suprafeței comune, pe axele Oy și Oz.
Se consideră z = ct. ținând cont de relațiile (3.5) și (3.6), relația (3.7) poate fi scrisă sub forma:
y<l (3.8)
forța Fy nu depinde de y pentru y < l și pentru y > l, iar pentru y = l, Fy = 0.
Ecuația (3.9) sugerează faptul că dacă două structuri plane și paralele ale unui condensator se deplaseaza în raport una față de cealaltă, se dezvoltă o forță paralelă cu acestea ce are tendința de a repoziționa cele două structuri. Această forță este frecvent exploatată la realizarea actuatorilor electrostatici rotativi sau liniari. Forța Fy este proporțională cu z, forța dezvoltată, raportată la cota z fiind dată de relația:
(3.9)
cu cât câmpul electric este mare, intensitatea E este exponențial mai mare.
Trebuie să se țină cont de faptul că la actuatorii electrostatici liniari, forța orientată după axa Ox are tendința de a apropia rotorul de stator, de aceea pentru a evita contactul electric dintre acestea, se folosește un element de distanțare realizat pe un strat de dielectric.
Cazul mișcării dielectricului
Armăturile paralele și plane pot fi fixate, în urma activării obținându-se mișcarea dielectricului ca și în figura 15.
Fig. 3.10 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării dielectricului [21]
În structura actuatorului sunt doi condensatori legați în paralel, cu capacitățile C1 și C2, astfel capacitatea totală este:
(3.10)
unde:
εd – fiind permitivitatea dielectricului.
Pentru d = d', energia totală a câmpului electrostatic este:
(3.11)
Astfel, forța ce acționează de-a lungul axei Oy asupra dielectricului este:
(3.12)
fiind orientată în sensul pozitiv al axei Oy. În cazul structurii din figura 3.10, forțele de-a lungul axei Ox se anulează reciproc.
Cazul mișcării combinate (perpendiculară și paralelă)
În vederea realizării microactuatorilor electrostatici utilizând tehnologiile specifice de prelucrare a siliciului, dielectricul poate fi înlocuit cu un element conductiv, de regulă dintr-un poli-Si puternic dopat (fig. 3.11). Structura corespunzătoare acestor actuatori presupune existența a trei condensatori C1, C2 și C3.
Fig. 3.11 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării combinate [21]
Elementul conductiv are permisă doar mișcarea pe axa Oy. Pe baza celor prezentate mai sus, rezultă că forța ce acționează asupra elementului mobil se determină cu relația:
(3.13)
Pentru a crește valoarea acestei forțe, singurul parametru care poate fi ajustat este jocul dintre armăturile fixe și conductor, d – d'. Reducerea acestuia este limitată de dificultățile de fabricare. Prin legarea în paralel a mai multor actuatori cu structură similară celei din figura 3.12 b, cu armături înclinate, se combină mișcarea pe axa Ox cu cea pe axa Oy. La actuatorii electrostatici a căror funcționare se bazează pe schemele de acționare prezentate este importantă stabilirea poziției rotorului față de stator. În cazul structurilor simetrice (fig. 3.12 a), forțele pe direcția axei Ox sunt egale și de sens contrar dacă distanțele dintre elementul mobil și cele fixe sunt egale. Dacă nu este asigurată construcția simetrică, datorită proporționalității cu , rotor-stator, asupra rotorului acționează o rezultantă îndreptată către cel mai apropiat stator. Controlul poziției elementului mobil (rotor) față de cel fix (stator) poate fi activ sau pasiv. [22] Metodele de control activ sunt dificil de implementat la microactuatori datorită dimensiunilor mici impuse senzorilor din structură. Una dintre metodele de control pasiv a distanței rotor-stator utilizează capacitatea sistemului rotor-stator, Cr-s ca și semnal de control. Pe măsură ce distanța rotor-stator scade, crește capacitatea Cr-s, creștere care va determina reducerea tensiunii aplicate și astfel, reducerea forței electrostatice pentru a stabiliza distanța rotor-stator.
Exemple de soluții constructive cu actuatori electrostatici
Numeroși actuatori electrostatici rotativi fac parte din categoria actuatorilor cu capacitate variabilă. Aceștea sunt formați din rotor cu un număr mare de poli ce formează capacități variabile cu polii statorului. Electrozii statorului sunt excitații cu impulsuri de tensiune.
Fig. 3.12 Actuatori electrostatici pentru generarea mișcării de translație [21]
În cazul actuatorilor de translație forța generată se determină pe baza relațiilor deduse în paragrafele precedente, iar în cazul actuatorilor rotativi expresia cuplului motor este dată de relația:
(3.14)
unde θ reprezintă unghiul de rotație.
Fig. 3.13 Actuatori electrostatici rotativi [23]
Prin utilizarea levitației electrostatice poate fi obținută o platformă mobilă ca și cea prezentată în figura 3.13.
Capacitatea totală se determină cu relația:
(3.15)
unde:
C0 – reprezintă capacitatea dintre electrozi,
C1(z), C2(x, z) – reprezintă capacitățile dintre electrozi și platformă (prima capacitate este variabilă în raport cu x, iar a doua variabilă în raport cu x și z).
Fig. 3.14 Platformă mobilă pe bază de levitație electrostatică a) configurația electrozilor b) circuitul echivalent [23]
Forța tangențială care acționează asupra platformei mobile se determină cu relația:
(3.16)
unde :
L – reprezintă lungimea electrodului.
Pentru x = 0 și la o forța Fx(0) la aria perpendiculară pe direcția de deplasare se obține o presiune electrostatică:
(3.17)
iar accelerația:
(3.18)
unde cu δ s-a notat grosimea platformei și cu ρ densitatea.
Fig.3.15 Exemplu de actuator electrostatic [23]
Exemple de actuatori electromagnetici
Actuatori electromagnetici rotativi
Sistemele de acționare pe bază de motoare electrice pas cu pas și motoare de curent continuu, reprezintă frecvente soluții de acționare cu aplicații în microrobotică. Construcția clasică a acestor tipuri de motoare este marcată de tendințele și rezultatele deosebite în ceea ce privește miniaturizarea. Acest gen de actuatori electromagnetici sunt într-o dezvoltare continuă a tehnicilor de miniaturizate, realizate prin diferite operații de litografiere.
Actuatori electromagnetici liniari
Ecuațiile de forță ale lui Lorentz stau la baza principiul de acționare magnetică. Atunci când un conductor este parcurs de curent și introdus într-un câmp magnetic static, atunci câmpul care se produce în jurul conductorului va interacționa cu câmpul magnetic static producând o forță. Această forță este folosită pentru a realiza o modificare în structură mecanică.
Fig. 3.16 Reprezentarea unui caz de acționare magnetică [24]
Pentru a realiza o acționare magnetică în interiorul unei structuri mecanice este necesar să se respecte anumiți parametrii ce caracterizeaza acel dispozitiv, implicit să existe o forță aplicată și o forțe de revenire. Forța aplicată depinde atât de câmpul bobinei cât și de cel al magnetului. Forța care acționeaza asupra structurii mecanice este direct influențată de starea de magnetizare a magnetului, mărimea acestuia, poziția sa față de bobină, numărul de spire, mărimea cât și curentul care trece prin bobină. Acționarea mecanică se poate realiza și prin alte metode decât prin utilizarea ecuațiilor Lorentz. Avantajele actuatorilor electromagnetici:
forța de acționare mare;
acționare bidirecțională;
acționare fără contact;
acționare de joasă tensiune.
Dezavantajele acționarii mecanice:
pierderi de putere – aceasta este o problemă majoră a sistemelor MEMS magnetice;
fabricarea bobinelor;
integrarea micromagnetilor în dispozitivele MEMS;
compatibilitatea materialelor.
Fig. 3.17 Clasificarea materialelor pentru realizarea magnetilor [24]
Pentru a realiza operația de acționare electromagnetică este necesară o bună interacțiune între câmpul electromagnetic și cel static. Pentru a produce câmpul static este important să se folosească materialele cu propietățile corespunzătoare.
Arhitectura unui actuator electromagnetic este alcătuită dintr-un conductor parcurs de un curent electric amplasat într-un câmp magnetic constant, cum este cel prezentat în figură 3.18.
Expresia forței Lorentz este dată de relația:
dF = Idl x B (3.23)
Fig.3.18 Exemple de actuatori magnetici[25] Fig.3.19 Forța Lorentz în câmp constant[25]
Acest tip de actuator are o bună aplicabilitate în domeniul microsistemelor deoarece magneții permanenți miniaturizați produc câmpuri magnetice intense.
În figurile 3.18 și 3.19 sunt prezentate două tipuri de actuatori electromagnetici ce utilizează acest principiu: unul cu bobină mobilă și magnet permanent fixat (fig 3.18) și celălalt cu magnet mobil și bobină fixată (fig. 3.19). Levitația este utilizată cu succes în microrobotică. În figură 3.20 este prezentată construcția unui actuator liniar pe principiul levitației electromagnetice.
Fig. 3.20 Reprezentarea unui actuator liniar pe bază de levitație magnetică [25]
Fig. 3.21 Exemplu de actuator electromagnetic liniar [25]
Dimensiunea actuatorului este determinată de densitatea/mărimea forței sau momentului dezvoltat. Astfel, dimensiunea este determinată de necesitatea forței sau momentului dezvoltat și de materialele utilizate. Utilizând sisteme MEMS ca și dispozitive logice, semnalul electric de ieșire sau câmp electromagnetic, trebuie să aibă valoarea specificată. Cu toate că MEMS-urile au particularități comune există și diferențe. Tehnologia de atașare directă a chipurilor a fost dezvoltată și des utilizată. Asamblarea flip-chip înlocuiește structura în benzi pentru conectarea IC-urilor (IC-circuite integrate) cu actuatori și senzori la scara micro și nano. Utilizarea tehnologiei flip-chip elimină rezistentele, capacitățile și inductanțele parazite. Acest lucru conduce la crește caracteristicilor de performanță. În plus asamblarea flip-chip oferă avantaje în implementarea împachetărilor/încapsulărilor (packaging-ului) flexibile avansate, îmbunătățind funcționarea de lungă durată, reduce masa și mărimea etc. Asamblarea flip-chip include atașarea actuatorilor și senzorilor direct pe substratul IC-ului. Actuatorii și senzorii sunt montați cu fața în jos prin bumpere pe placa formând conxiunile electronice și mecanice în substratul IC-ului. Materialul de încapsulare este adăugat între suprafața chipului și circuitul flex pentru a atinge fiabilitatea cerută. Figura 3.22 prezintă MEMS-urile de tip flipchip. [26]
Fig. 3.22. Arhitectura MEMS cu senzori și actuatori [26]
În cazul actuatorilor magnetici rezistența magnetică a miezului de fier este mult mai mică decât a interstițiului dintre poli, de aceea densitatea fluxului magnetic poate fi calculată după formula:
(3.24)
Deci, inducția magnetică în interstițiu este proporțională cu curentul total NI înmagazinat de circuit și invers proporțional cu dimensiunea la . Din considerații termice se deduce faptul că, fluxul de curent maxim variază proporțional cu l, ( I ∝ l ) și în consecință inducția magnetică Ba este constantă.
Prin reducerea dimensiunilor ar trebui să nu existe consecințe asupra inducției magnetice. O mare parte din aceste caracteristici poate fi explicată de dimensiunile relativ mai mari ale interstițiului și de calitatea slabă a bobinelor. De aceea dimensiunile bobinelor vor fi relativ mai mari când se reduc dimensiunile. De asemenea, pentru circuite în care fluxul este generat de magneți permanenți, densitatea fluxului magnetic nu variază. Aceste forțe depind de tensiunea ce poate fi aplicată între armăturile actuatorului și astfel tensiunea variază liniar cu distanța dintre armături d , (U = Ed).
Când este redusă dimensiunea unui actuator forță, se va modifica proporțional cu l2 câmpul electric se presupune a fi constant: E= ct, F ∝ l2.
Timpul de răspuns și puterea specifică sunt proporționale cu l, (τ ∝ l) respectiv cu l-1, P ∝ l−1 m.
Aceasta situație nu se păstrează pentru interstițiile mici dintre armături. Pentru aer la presiune atmosferică, tensiunea minimă de străpungere este de 350V la 8 μm. Aceasta conduce la presupunerea că există o tensiune maximă constantă, (U = ct); rezultă forța electrostatică constantă, (F = ct) iar timpul de răspuns și puterea specifică variază ca l2,(τ ∝ l2) respectiv l-4, (P ∝ l−4 m).
CAPITOLUL 4 SISTEME DE RECUPERARE A ENERGIEI ȘI DE ACȚIONARE ELETROMAGNETICĂ
Mărimile locale ale câmpului electromagnetic
Fiecare din componentele magnetice este caracterizată local de doi vectori tridimensionali, intensitate și inducția câmpului respectiv:
E – intensitatea câmpului electric;
D – inductia câmpului electric;
H – intensitatea câmpului magnetic;
B – inducția câmpului magnetic.
Aceste patru mărimi vectoriale caracterizează complet, local și instantaneu câmpul electromagnetic a unui punct din spațiu, la un moment de timp (fig. 4.1). Pentru a caracteriza câmpul într-un domeniu spațial pe un interval de timp, cele patru mărimi devin funcții vectoriale de poziție și timp. Matematic cele patru sunt deci, funcții definite pe domeniul spațio-temporal cuadridimensional, cu valori în spațiul tridimensional. [27]
Fig 4.1 Mărimile locale ale campului electromagnetic [27]
Mărimile caracteristice ale electromagnetismului:
, (4.1)
este vectorul de poziție iar,
(4.2)
Unitatea de măsură: Coulomb pe metru pătrat [C/m2]
Intensitatea câmpului magnetic
Mărime fizică vectorială ce caracteriza câmpul magentic din punct de vedere longitudinal:
(4.3)
unde:
Unitatea de măsură: Amper pe metru [A/m].
Inducția magnetică
Mărimea fizică vectorială ce caracterizează comportarea transversală a câmpului magnetic:
unde: ,
Unitatea de măsură: Weber pe metru pătrat sau Tesla [Wb/m2=T]
Mărimile locale ale corpurilor
În interactionea cu câmpul electromagnetic, corpurile își schimba starea. Pentru a caracteriza această schimbare de stare electromagnetică se folosesc următoarele mărimi fizice locale:
ρ – densitatea de volum a sarcinii electrice;
j – densitatea de curent electric.
Aceste mărimi caracterizează local și instantaneu corpurile. Pentru a caracteriza starea unui punct din corp pe un interval de timp, cele două mărimi devin funcții de poziție și timp, una scalara și altă vectorială, definite pe domeniul corpului și intervalul de timp.
Densitatea de sarcină
Mărime fizică scalara ce caracterizează local și instantaneu starea de electrizare a corpurilor:
(4.4)
Fig. 4.2 Mărimile locale ale corpurilor [27]
cu: ,
unde:
Unitatea de măsură: Coulomb pe metru cub [C/m3]
Densitatea de curent
Mărimea fizică vectorială ce caracterizează local și instantaneu starea electrocinetică a corpurilor:
(4.5)
,
unde:
Mãrimi globale ale câmpului electromagnetic
Fiecare mărime locală definește prin integrare pe o varietate spațială câte o mărime globală. Intensitățile câmpului se integrează pe varietați unidimensionale (curbe) – integrale simple, iar inducțiile se integrează pe varietăți bidimensiunale (suprafețe) – integrale duble:
tensiunea electrică u se obține prin integrarea intesitatii câmpului electric E pe curbe închise sau deschise;
fluxul electric se obține prin integrarea inducției electrice D pe suprafețe;
tensiunea magnetică um, se obține prin integrarea intesitatii câmpului magnetic H pe curbe închise sau deschise;
Mărimile caracteristice ale electromagnetismului
Fig. 4.3 Mărimile caracteristice ale electromagnetismului [27]
Mărimile caracteristice ale fluxul magnetic se obține prin integrarea inducției magnetice B pe suprafețe. Aceste mărimi caracterizează global și instantaneu câmpul electromagnetic pe varietățile pe care sunt definite. Matematic ele sunt funcții reale de variabilă reală, definite pe intervalul de timp al procesului considerat. Fiind asociate unor varietăți orientate, vom spune că au sens de referință. Schimbarea sensului de referință (orientarea varietății) determina schimbarea semnului mărimii globale. Trebuie să mai luăm notă de un aspect extrem de important, referitor la orientarea varietăților, deci implicit referitor la sensurile de referință. Acestea trebuie să respecte următoarele reguli de orientare:
suprafețele închise se orientează întotdeauna spre exterior;
suprafețele deschise se orientează conform regulii burghiului drept, față de felul în care sunt orientate curbele lor de frontieră;
integralele curbilinii au elemntul tangențial de linie orientat în sensul curbei,
integralele pe suprafețe au elementul vectorial de arie dA = ndA, orientate în sensul versorului n, normal, la suprafață, care trebuie să respecte regulile de orientare anterioare.
Tensiunea electrică
În consecință tensiunea electrică este mărime scalară ce caracterizează câmpul electric de-a lungul unei curbe C, mărime derivată, definită de circulaia lui E:
(4.6)
Unitatea de măsură : Voltul [V]
Tensiunea este egală cu componenta tangențială a intensității câmpului, mediată pe curba C, înmulțita cu lungimea curbei:
u = Et,med *lc (4.7)
Definită pe curbe închise, ea se mai numește și tensiune electro-motoare (t.e.m.) și se mai notează cu e. Matematic, tensiunea este o funcție reală de variabilă reală – timpul, asociată unei curbe orientate (ceea ce face să aibă sens de referință):
, (4.8)
iar dacă funcția este constantă, atunci valoarea ei se npteaza cu majusculă U.
Fluxul electric
Fluxul electric este o mărime fizică scalară care descrie global câmpul electric de pe suprafața închisă sau deschisă, este o mărime derivată, definită de fluxul indictiei D:
(4.9)
Unitatea de măsură: Coulombul [C]
În consecință, fluxul este egal cu componenta normală a inducției, mediata pe suprafața S și înmulțită cu aria suprafeței:
. (4.10)
Matematic, fluxul este o funcție reală de variabilă reală: timpul, asociată unei suprafețe orientate:
(4.11)
iar dacă funcția este constantă, atunci valoarea ei se notează cu majusculă ψ.
Tensiunea magnetică
Tensiunea magnetică este o mărime scalara ce caracterizează câmpul magnetic de-a lungul unei curbe C, mărime derivată, definită de circulația lui H:
(4.12)
Unitatea de măsură: Amperul [A]
În consecință tensiunea este egală cu componenta tangențială a intensității câmpului, mediată pe curbele C și înmulțită cu lungimea curbei :
(4.13)
Definită pe curbe închise ea se mai numește și tensiune magneto-motoare. (t.m.m.)
Mărimile caracteristice ale electromagnetismului
Matematic, tensiunea magnetică este o funcție reală de variabilă reala-timpul asociată unei curbe orientate (ceea ce face să aibă sens de referință):
(4.14)
iar dacă funcția este constantă, atunci valoarea ei se notează cu majuscule Um.
Fluxul magnetic
Fluxul magnetic este o mărime fizică scalară, care descrie global câmpul magnetic de pe suprafață S, mărime derivată, definită de fluxul inducției B:
(4.15)
iar dacă funcția este constantă, atunci valoarea ei se notează cu majusculă ɸ
Mărimile globale ale corpurilor
Ca și mărimile globale ale câmpului, mărimile globale ale corpurilor sunt asociate mărimilor locale și sunt obținute prin integrarea acestora pe diferite varietăți:
q – sarcina electrică se obține prin integrarea pe domeniul corpurilor a densității de sarcină.
i – intensitatea curentului electric se obține prin integrarea pe suprafețe ce apartin corpurilor a densității de curent J.
Aceste mărimi sunt funcții scalare de timp ce caracterizează global și instantaneu starea corpurilor pe varietățile pe care sunt definite. Deoarece este definită pe o varietate orientată, curentul are sens de referință, dar sarcina nu are, fiind definită pe o varietate neorientată.
Sarcina electrică
Sarcina electrică este o mulțime scalară, care descrie global starea de electrizare a unui corp, definită de integrală triplă, pe domeniul corpului a densității de sarcină:
(4.16)
Unitatea de măsură: Coulomb [C]
În consecință, sarcina este egală cu densitatea de sarcină mediată pe domeniul Ώ și înmulțită cu volumul domeniului:
(4.17)
Matematic, sarcina este o functie asociata domeniului Ώ, definita pe intervalul de timp al procesului analizat:
(4.18)
Unitatea de măsură: Amperul [A].
În consecință curentul este egal cu componenta normală a densității de curent mediată pe suprafața S și înmulțită cu aria suprafeței:
. (4.19)
Matematic, curentul este o funcție reală de variabilă reală, definită pe intervalul de timp cât durează procesul analizat și asociat unei suprafețe orientate:
(4.20)
Dacă funcția este constantă, atunci valoarea ei se notează cu majusculă I.
Modelul matematic ce caracterizează sistemului oscilant
Un model simplificat ce caracterizează sistemul oscilant al recuperatorului electromagnetic de energie din vibrații mecanice, are la bază o excitație a generatorului ce produce vibrarea magnetului în raport cu bobina aflată în regim static, rezultatul fiind producerea unei tensiuni la bornele acesteia. Magnetul este conectat la terminalele bobinei printr-o structură magnetică de tip analog cu ajutorul unui resort elastic. Așa cum sunt reprezentate dispozitivele inerțiale, sistemul oscilant poate fi modelat ca în figura 4.4.
Fig. 4.4. Schema de principiu a unui sistem oscilant [28]
În reprezentarea schematică de mai sus deplasarea masei inerțiale, m, în raport cu structura generatorului, z(t), are ca rezultat diferența dintre deplasarea permanentă a structurii, y(t) și deplasarea permanentă a masei, x(t):
(4.22)
m (4.23)
unde:
m – masa oscilantă;
z – coeficientul de deformare a resortului;
y – coeficientul de deplasare al sistemului oscilant;
k – coeficientul de amortizare;
c – ce + cm coeficientul de amortizare global.
Ecuația diferențială (4.22) reprezintă raportul de amortizare și se scrie:
=
(4.24)
Ecuația 4.24 reprezintă constanta de amortizare critică.
Atunci când c<c0 si ζ<1, modelul osctilant descris mai sus poate oscila în urma unei deplasări externe, ce are o variație relativă în timp, y(t), se aplică următoarea condiție:
(4.25)
Definim pulsația sistemului oscilatant ce are o frecvență exprimată în Hz:
(4.26)
Energie electrică este produsă atunci când masa magnetică inerțială oscilează sub acțiunea unor vibrații mecanice,controlate, sub formă sinusoidală executând deplasări liniare și periodice, producând astfel o variație a fluxului magnetic în interiorul unei bobinelor. Analiza unui sistem oscilant variază în două moduri,primul mod de intrare în sistem, iar al doilea mod de deplasarea structurii y(t) în raport cu deplasarea permanenta a masei x(t): sinusoidală și în treaptă [18].
a) Recuperarea energiei electrice cu ajutorul unui generator rezonant pentru semnale de intrare sinusoidale
Prin deplasarea magnetului prin bobină se produce o recuperare de energie cinetică, iar dacă la bornele unui circuit închis rezultă un curent indus, tensiunea electrică este egală cu puterea dezvoltată din vibrațiile mecanice prin amortizarea indusă electric. Energia recuperată este produsul dintre viteza constantă și forța aplicată, constantă. Energia medie se calculează dupa următoarea formulă:
(4.27)
Raportul pulsațiilor este iar forța indusă electric este , se obține următoarea relație:
(4.28)
Aceasta relatie este forma globală a energiei cinetice recuperată cu ajutorul unui generator electromagnetic rezonant.
Puterea electrică este maximalizată când . Pentru a determina tensiunea electrică a generatorului la rezonanță, trebuie să determinăm care este tensiunea maximă dezvoltată în condiții normale de funcționare
. (4.29)
Cu expresia raportului la rezonanță
(4.30)
se obține puterea la rezonanță:
, 0≤ ζ <0,7 (4.31)
Ținând cont de:
(4.32)
Din relația (4.32) rezultă că, cele două puteri au valori egale, atunci când avem un factor de amortizare total nul, ζ=0. Când avem o putere la rezonanță mai mare decât puterea la pulsație obișnuită, fenomenului de rezonanță este 0≤ ζ <0,7.
Dacă valorile factorului de amortizare ζ sunt ≥ 0,2…..0,5, raportul puterilor are valorile curinse între 1,17…..1,95. Din relația puterii de rezonanță (4.31) rezultată pentru energia maximă recuperată la pulsația de rezonanță
(4.33)
rezultă că amortizarea ζ tinde de zero, adică și 2 sunt neglijabile față de unitatea (2 <<1).
Recuperarea energiei electrică cu ajutorul unui generator cu rezistență de sarcină
S-a presupus că modul de lucru al generatorului este într-o poziție verticală, iar structura mobilă este poziționată la distanță egală în raport cu magneții staționari. În acest caz greutatea structurii mobile are rol de a micșora distanța dintre magnetul staționar și aceasta. Modelul schematic al unui exemplu de generator electomagnetic este prezentat în figura 4.5 [19].
Fig. 4.5 Schema de principiu a unui generator electromagnetic [28]
Dacă notăm z=x-y reprezentând deplasarea relativă a magnetului, ecuația de mișcare devine:
(4.34)
Puterea transferată unei sarcini rezistive poate fi calculată dupa formula:
(4.35)
Prima condiție necesară petru a eficientiza transferul de tensiune între o sursă de energie si sarcina rezistivă este ca cele doua să fie egale RB=RS. În cazul în care se dorește recuperarea energiei cinetice din vibrații mecanice controlate, aceasta condiție nu este validă, deoarece amplitudinea generată de sursa de energie poate modifica variația sarcinii rezistive, fapt ce afectează forța indusă electric, deplasarea și viteza inerțială a masei. Sarcina rezistivă poate debita tensiune maximă, într-un sistem de recuperare a energiei cu ajutorul vibrațiilor mecanice controlate, atunci când aceasta este egală cu suma coeficientului electric de amortizare și a rezistenței interne a bobinei. Concluzia la cele de mai sus este că este necesară o reducere la scară cât mai mic a coeficientului de amortizare precum și a rezistenței interne.
(4.36)
c) Recuperarea energiei electrice cu ajutorul unui generator rezonant pentru un semnal periodic de intrare oarecare
Sistemul destinat recuperării energiei cinetice poate primi atât vibrații mecanice periodice sinusoidale, cât si vibrații mecanice necontrolate, ca în cazul contactului dintre o anvelopa de bicicleta și asfalt. Pentru determinarea râspunsului sistemului și a energiei generate se face o analiza a funcțiilor periodice Fourier și se calculeaza tensiunea electrică pentru o vibrație oarecare astfel[20]:
, putere instantanee (4.37)
, amplitudinea puterii (4.38)
Atunci când n=1, vibrația este sinusoidală, iar relația (4.38) se reduce la relația (4.36).
Recuperarea energiei cu ajutorul dispozitivelor electromagnetice
Recuperarea de energie poate fi realizată și prin principiul inducției electromagnetice. Inducția este definită ca procesul de generare de tensiune într-un conductor de schimbare a câmpului magnetic din jurul acestuia. O metodă practică de producere a inducției electromagnetice pentru recuperarea de energie este cu ajutorul unor magneți permanenți, o bobină și o rezonanță [29].
Avantajle folosirii acestor dispoztitive electromagnetice:
inducție electromagnetică oferă avantajul de a îmbunătății fiabilitatea procesului și a reduce amortizare mecanică;
se pot utiliza generatoare electromagnetice încapsulate, fiind astfel protejate de factori exteriori în momentul procesului de funcționare;
nu este necesară o sursă suplimentară de tensiune.
Dezavantajul major, îl reprezintă volumul mare în dimensionare al acestor materiale electromagnetice fapt ce le face complicat de integrat cu dispozitivele MEMS [30]. Bayrashev, și colab. și Staley, și colab. au analizat procesul de recuperare a energiei prin materiale magnetostrictive [31]. Aceste materiale magnetostrictive sunt folosite pentru a construi servomotoare și senzori ce au capacitatea de a converti energia magnetică în energie cinetică.
Aceste materiale sunt extrem de flexibile, fiind ideale pentru vibrațiile de înaltă frecvență depășind limitările altor surse de vibrații. Monitorizarea este explicată de catre cercetatorii Wang și Yuan de la Universitatea de Stat din Carolina [30]. Acestia afirma ca este dificil de integrat aceste materiale în dispozitivele MEMS. Dispozitivele electrostatice și piezoelectrice sunt capabile să producă tensiune, aceasta variind între 2V și 10V, în timp ce elementele electromagnetice au o limitare de producere a tensiunii maxime de 0.1V. Avantajul utilizării vibrațiilor mecanice pentru a recupera energie este că acestea reprezintă sursa disponibilă de energie, cea mai răspândită în cele mai multe medii de activitate. Rezumînd pe scurt cronologia dezvoltării materialelor magnetostrictive, din mulțimea vastă a acestor materiale, proprietățile feritelor și a materialelor magnetoelectrice compozite au anumite avantaje și dezavantaje economice sau de natură tehnică în utilizarea acestor materiale pentru aplicații MEMS. Materialele magnetostrictive sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii tehnologice. Aceste materiale pot fi utilizate ca senzori magnetomecanici, tranductori [29]. Istoria materialelor magnetostrictive este relativ veche și este paralelă cu istoria materialelor magnetice deoarece majoritatea materialelor magnetice sunt și magnetostrictive (își modifică dimensiunile sub acțiunea unui câmp magnetic exterior). În anul 1842 Joule [32] descoperă pentru prima dată fenomenul de magnetostricțiune la nichel, iar în anul 1865 Villari descoperă efectul magnetostrictiv invers. Aceste fenomene nu și-au găsit aplicații practice până când au fost descoperite în anul 1963 a unor materiale cu magnetostricțiune mare (1000ppm) precum metalele rare Tb, Dy [33]. Compușii de tip Laves (TbFe2 Terfenol, SmFe2) prezintă magnetostricțiuni gigant la temperatura camerei (λs=1.7·10-3 policristal) dar se saturează magnetic în câmpuri magnetice extrem de mari (8MA/m) (cu două ordine de mărime mai mari decât câmpul magnetic necesar pentru a se obține magnetostricțiunea de saturație a Ni sau Fe). Cercetatorii A.E. Clark și colab [36], au propus să combine un material cu o magnetostricțiune gigant și o anizotropie magnetică moderată. Acest material are în compoziție Tb și Dy cu o compoziție nominală TbxDy1-xFey, cu x=0.23-0.5, y=1.9-2; materialul a fost numit Terfenol D și în stare policristalină care are o magnetostricțiune de saturație la temperatura camerei de aproximativ 1.2·10-3.
Importanta cunoașterii tehnologiei de fabricație a componentelor microactuatorului și a micromagnetilor
Microsistemele MEMS magnetice prezintă o nouă clasă de microelemente cu un potențial activ ridicat. Pentru acționarea oglinzilor, scanerele convenționale au limitări în funcționarea lor din cauza masei lor ridicate, ceea ce duce la caracteristici dinamice ridicate dar și la un consum mărit de energie. Dimensiunile tipice ale unui scanner sunt 20 x 20 x 50 mm, având masa de aproximativ 50 gr [35].
Aceste dezavantaje pot fi înlăturate prin folosirea unor dimensiuni mai reduse de la 1 la 5 mm2. Folosind aceeași tehnologie ca și în cazul aplicațiile MEMS convenționale și încorporând materialele magnetice cu rol de element senzitiv dar și element actuator, sunt oferite noi posibilități și se deschid noi piețe emergente în domeniul tehnologiei informației, auto, electromagnetice sau magnetice dintre materiale magnetice și bobine si magneți permanenți. Materialele magnetice pot fi depuse pe microstructuri și asamblate în microsisteme. Microsistemele MEMS ce conțin și magneți permanenți au următoarele avantaje:
consum redus de energie;
au dimensiuni reduse;
au un curcuit electronic simplu, în comparație cu un actuator electromagnetic.
Microsistemele MEMS bazate pe interacțiunile magnetice dintre materialele magnetice și bobinele electromagnetice sunt folosite în microactuatie și au urmatoarele avantaje:
au un consum de energie redus față de actuatoarele electrostatice și piezoelectrice polaritatea;
generarea de forțe cu rază lungă;
deviere de tensiune de comandă de valoare redusă chiar în condiții dificile de funcționare.
Acestea pot fi folosite în aplicațiile inteligente ale tehnologiei laser, senzori de presiune și vibrații, micro-scanere bidirecționale, oglinzi semi-cilindrice, cu punct focal variabil și corecția aberațiilor sferice și cromatice. [36,37,38]
Prin integrarea acestor elemente integrate tipice precum bobine, magneți permanenți, structuri metalice, putem obține o multitudine de microsisteme de recuperare a energiei. Mai mult, prin integrarea unor lamele flexibile, fiabilitatea acestora crește, deoarece ele permit modificarea configurației și adaptarea funcțiilor conform necesitaților utilizatorilor.
Dispozitivele microelectromagnetice ce au dimensiuni foarte mici, între 20mm – 10µm, deci masa lor este neglijabilă, nu pot fi sensibile la efecte inerțiale, nu consuma putere statică, iar prețul de fabricație este unul relativ mic. În consecință, domeniile de utilizare pentru sunt foarte variate, medicină, aplicații militare, industria auto, sisteme de achiziție de date de mare precizie etc.
În cazul în care dorim sa modelăm și să rezolvăm diferite probleme inginerești (fenomene electrice, termice sau mecanice) o solutie este aplicarea unor ecuații cu derivate parțiale. Pentru aceasta trebuie să aplicăm diferite cunoștințe de analiză numerică, formule matematice cu scopul de a rezolva problemele prin aplicarea condițiilor de frontieră, analiza materialelor, alegerea surselor de alimentare a tensiunii, etc. În continure este prezentată soluția proprie a unei simulări numerice FEM.
CAPITOLUL 5 SIMULAREA MODULUI DE COMPORTARE A UNUI SISTEM MEMS
5.1. Prezentarea etapelor de proiectare a unui concept de microactuator electromagnetic
În aceast studiu sunt prezentate etapele de proiectare, modelare precum și rezultatele simulării numerice a unui concept de microactuator în consolă, prevăzut cu o matrice de magneți permanenți pozitionati pe o lamelă elastică, realizată dintr-un material de tip Polyimide (PI). Alternativ, lamela poate fi fabricată dintr-un material nemagnetizabil (permanent sau temporar), însă studiul este valid numai dacă între matricea de magneți permanenți și lamelă este inserată o plachetă de tip Permalloy.
Câmpul magnetic produs de magneți interacționează cu curentul electric care circulă printr-o bobină plată. Bobina este plastă pe o placă suport construită din siliciu. Design-ul este bazat pe o soluție anterioară cu 1 set de lamele, care au un anumit tip de mișcare (translație și rotație) pentru susținerea magneților.
Provocarea a fost de a induce o mișcare oscilatorie sub acțiunea unei forțe aplicate microactuatorului electromagnetic și o altă forță de revenire. Forța aplicată depinde de câmpul magnetic de revenire al bobinei, precum și de câmpul magnetic permanent al magneților. Forța aplicată este influențată în mod direct de poziția matricei cu magneți permanenți în raport cu bobina. Pe parcursul acestui studiu, se presupune că metodele matematice care descriu efectele fizice sunt cuplate doar într-un singur “sens”, astfel câmpul magnetic se schimbă, însă deformațiile nu schimbă sistemul de distribuție a câmpului magnetic.
Această soluție este validă la, oscilații de frecvențe joase, de obicei în jurul valoriilor de zeci sau sute de hertzi, atunci când se produce o tensiune indusă în bobină sub anumite variații ale fluxului de câmp magnetic pe suprafața bobinei. Acest flux de câmp magnetic este neglijabil în comparație cu tensiunea externă aplicată. (ca exemplu modul de funcționare sub rezonanță a unui scanner).
Simularea numerică se realizează în algoritm de calcul 3D. În primul studiu este rezolvată problema electrocinetică, pentru a determina poziția densității de curent electric prin bobină , iar apoi este evaluat câmpul magnetic produs de aceasta distribuție de curent.
Forțele magnetice produse de interacțiunea cu câmpul magneților permanenți sunt apoi calculate pe baza unui studiu de câmp magnetic, fiind apoi evaluat efectul lor, prin realizarea unui al treilea studiu structural, ce permite evaluarea deformațiilor structurii elastice pe care este poziționată matricea cu magneți permanenți.
Primul pas în acest studiu este de a proiecta la scară a componentelor microactuatorului în programul SolidWorks.
Fig. 5.1 Modelul 3D CAD al actuatorului cu lamele elastice realizat în programul SolidWorks
Fig. 5.2 Desenul de executie al actuatului cu lamele elastice
În această etapă, modelele matematice care descriu fenomele fizice sunt cuplate într-un singur “sens” – câmpul magnetic nu modifică distribuția curentului electric în bobină, iar deformările structurale nu modifică distribuția câmpului magnetic în sistem. Aceste aspecte vor fi luate în considerare în etapa următoare. Simularea numerică se realizează pe domenii de calcul 3D.
Astfel se rezolvă problema de câmp electrocinetic pentru determinarea distribuției densității curentului electric de conducție prin bobină. Pentru rezolvarea studiului FEM si implicit a problemei electrocinetice, au fost utilizate elemente Lagrange pătratice, pentru câmpul magnetic cu elemente vectoriale liniare. [41]
Prima etapă în abordarea acestei simulări o constituie proiectarea piesei în programul SolidWorks. Importăm piesa prototip 3D CAD în sotfware-ul Comsol pentru a realiza studiile FEM. Deasemenea este necesar să se introducă valorile corespunzătoare propietăților pentru materiale, așa cum sunt descrise mai jos în etapele de simulare, după o analiză riguroasă a metodelor actuale de testare și proiectare a dispozitivelor MEMS.
File>New>Select Space Dimension>3D
În fereastra Select Physics activăm domeniile în care vom rula aplicația. Selectam domeniile: Solid Mechanics>Magnetic Fields>Electric Currents. Din Meniul Principal>Geometry>Import 3D CAD file pentru a adăuga piesa 3D CAD.
Fig. 5.3 Importarea modelului CAD 3D realizat în programul SolidWorks
Declararea parametrilor de calcul al sistemului. Din bara Model Builder>PI Parameters> se declară tensiunea aplicată pe bobină, Ub = 2V, reprezintă valoarea necesară pentru calculul de simulare al câmpului electrocinetic.
Fig. 5.4 Declararea constantei
Definirea parametrilor de material
Selectam Model Builder>Materials>Add Material
Aplicăm material corespunzător pentru fiecare element din ansamblul 3D, din biblioteca programului Comsol Multiphysics. Este deasemenea esențial să introducem valorile corespunzătoare pentru propietățile materialului respectiv, pentru cupru, descris în figura de mai jos. Se face o analiză amănunțită cu referire la indicele permitivității relative, permeabilității relative, modulul lui Young, cât și coeficientul Poisson. Datele tehnice au fost consultate pe platforma http://www.matweb.com/, Material Property Data.
Fig. 5.5 Definirea materialelor pentru fiecare element din ansamblul 3D
Substratul de acționare este realizat din siliciu, înfășurările bobinei sunt fabricate din cupru, iar magneții permanenți sunt realizați din NdFeB. Structura PI are un modul de elasticitate mic, ceea ce îi permite un unghi mare de deflexie. În tabelul 5.1 sunt ilustrate propietățile structurale ale dispozitivului BCM. Tabelul 5.1 ilustrează propietățile structurale pentru dispozitivul BCM. [40,41]
Proprietăți electrice, magnetice și mecanice ale componentelor actuatorului
Tabelul 5.1
(1) Modulul lui Young; (2) Raportul Poisson; (3) Densitatea de masă; (4) Permeabilitatea magnetică relativă; (5) Inducția remanentă; (6) Permitivitatea electrică; (7) Conductibilitatea electrică.
Magneții sunt orientați cu inducția remanentă, Br, în planul xOy, paraleli pe axa Ox, Fig. 5.5. Se presupune că interfața dintre magneti și lamela PI este o folie (super)paramagnetică, pentru care am declarat µr = 10. Prezența ei este modelată, atribuind acesteia proprietățile magnetice ale foliei. O analiză mai detaliată a acestei interfețe (permeabilitate, dimensiuni) cît și poziționarea magneților permanenți vor fi întreprinse în următoarea etapă.
Rezolvarea simulării cuplate (câmp electrocinetic, câmp magnetic, problema structurală)
Prima problemă este evaluarea câmpului electric și calculul densității de curent electric. În această fază este evaluat fluxul de curent ce produce un câmp magnetic. În a doua etapă, curentul produs de câmpul magnetic, interacționează cu câmpul magnetic al magneților permanenți, producând forțe ce acționează asupra componentelor din structura. În a treia etapă forțele sunt aplicate pe componentele microactuatorului și este evaluat modul de comportare al acestuia (deformări și deplasări).
Fiecare pas implică o rezolvare specifică în simularea FEM (curent electric/câmpuri magnetice/structuri mecanice). Prin compilarea calculelor într-o anumită ordine acestea sunt transferate în studiu FEM, folosind variabile astfel, au fost calculate deformările generale. Calculul a fost realizat în regim staționar, presupunând, deasemenea o variație în timp foarte scăzută. În acest studiu, câmpul electromagnetic se propagă pe termen nelimitat în spațiu, fiind una dintre principalele cauze ce influențează aplicarea forțelor. Acest aspect reprezintă condiția de bază pentru toate soluțiile de acționare electrică. Variația foarte rapidă a câmpurilor electrice și magnetice sub o acțiune reciprocă între ele, reflectată prin termeni asociați ecuațiilor Maxwell-Lorentz, alții decât câmpul propus de surse (sarcina electrică și fluxurile de curent)[42]. În acest caz procesul este foarte scăzut, datorită faptului că a fost neglijat câmpul de interacțiune. De asemenea din cauza deformațiilor foarte mici, de ordin micrometric, influența reciprocă ar putea fi neglijată, deformațiile neinfluentând câmpul magnetic, acest lucru nu influențează fluxul de tensiune prin bobină. Câmpul electric este efectul potențialului electric aplicat pe bornele bobinei. Distribuția curentului electric produce câmp magnetic. Acest câmp electromagnetic este uniform și continuu, și se propagă în unde. [41]
Modelul matematic devine:
Modelul de câmp electromagnetic staționar:
pasul 1: Input , Output: E si J
(5.1)
pasul 2: Input J, Output: forța magnetică fEM
(5.2)
pasul 3: Input Forta magnetica fEM Output: Deformatii
+ teoria elasticității (5.3)
unde:
A-potențialul magnetic vectorial [T*m];
J-densitatea curentului electric [A/mm2];
fEM-forța electromagnetică [N/m3];
-tensorul momentului magnetic (Maxwell)
Legile de bază ale câmpului electromagnetic le reprezintă ecuațiile lui Maxwell. Acestea fac o punte de legatură între , și caracteristicile mediului în care se găsește câmpul electromagnetic.[44]
Aceste ecuații ale lui Maxwell sunt:
(5.4)
(5.5)
(5.6)
rot (5.7)
Prima ecuație a lui Maxwell (5.4) arată faptul că un câmp electric, este generat de o sarcină electrică, cu densitatea ρ și cu inducția electrică .
Ecuația a doua a lui Maxwell, (5.5), arată faptul că “sarcini magnetice”, sunt nule.
A treia ecuație a lui Maxwell (5.6) arată că un câmp magnetic variază în timp generând un câmp electric.
A patra ecuație (5.7), arată faptul că un câmp magnetic de intensitate este generat de un curent de conducție cu densitatea și de un curent de deplasare cu densitatea ;
Ecuații ale lui Maxwell au fost redate sub formă vectorială și pot fi scrise astfel:
+ si (5.8)
Aceste ecuații de material se mai pot exprima și în funcție de polarizarea electrică, , și a nivelului de magnetizarea .
(5.9)
în ecuații sunt reprezentate prin permitivitatea ɛ, permeabilitatea, µ și conductivitatea electrică, σ. În mediile liniare constantele ɛ, µ și σ se introduc în funcție de coordonatele punctului.
Modelul structural:
(5.10)
(5.11)
(5.12)
(5.13)
unde:
F-gradientul elongantei;
-tensorul Cauchy-Green;
ɛ-elongatia Green;
-tensorul simetric al elongatiilor Cauchy*
* Tensorul tensiunilor Cauchy se consideră că fiind un corp alcătuit dintr-un material continuu, omogen și izotrop, în echilibru stabil sub acțiunea încărcărilor exterioare și a reacțiunilor. Se izolează fictiv un element de volum infinitezimal tridimensional, cu muchiile paralele cu axele de coordonate. Pe fiecare fațetă elementară a elementului apar forțe produse de tensiunile normale și tangențiale, care reprezintă efectul corpului înlăturat asupra elementului. Totalitatea componentelor tensiunilor care acționează pe cele 3 suprafețe ortogonale, orientate respectiv de axele de coordonate „xyz” – alcătuiesc matricea tensiunilor dintr-un punct curent S (x,y,z) din interiorul corpului, fig 5.6. Aceste componente ale tensiunii corespund unor deformații infinitezimale din jurul punctului S.[42]
Fig. 5.6 Starea de tensiune pe cubul elementar [42]
Starea de tensiune spațială care apare în jurul unui punct este astfel determinată de tensorul de tensiune [Tσ] introdus de Cauchy, tensor simetric față de diagonală principală, de ordnul II. Simetria matricii se datorează legii dualității tensiunilor tangențiale exprimată în câte două plane ortogonale. Această lege derivă din exprimarea condițiilor diferențiale de echilibru static, sub forma ecuațiilor de momente în punctul S, față de cele 3 axe ortogonale. Sub acțiunea încărcărilor, corpul se deformează iar pe parcursul deformației sale își modifica volumul și formă. Ca urmare, tensorul de tensiune [Tσ] se poate descompune într-un tensor sferic [Tσ0] și un tensor deviator de tensiune (deviatorul tensiunii)-[Tσd]. Tensorul sferic de tensiune caracterizează modificarea volumului corpului, fără modificarea formei pe parcursul deformării sale; tensorul deviator de tensiune caracterizează modificarea formei corpului în jurul unui punct, fără modificarea volumului, sau devierea stării de tensiune față de starea uniformă de tensiune (σ0). [42]
Rezolvarea problemei de câmp electric
Rezolvarea problemei de câmp electric este efectuată în modulul “Electric Currents” (ec) al programului Comsol, prin declararea valorilor de intrare a tensiunii aplicate pe anumite suprafețe. În acest caz, este declarată tensiunea de comandă, se aplică parametrul Ub, pe un terminal al bobinei iar pe celalălalt terminal al bobinei se aplică împământarea. (Ground)
Selectam din Meniul Principal>Add Physics>AC/DC>Electric currents(ec)
Fig. 5.7 Adaugarea problemei de câmp electrocinetic
Simularea oferă o distribuție spațială a potențialului electric, a câmpului electric și a densității de curent.
Definirea condițiilor inițiale pentru rezolvarea problemei de câmp electrocinetic
Din Model Builder>Electric Currents(ec)>setăm "Electric potențial" apoi declarăm parametrul Ub, tensiunea aplicată pe terminalul bobinei definit mai sus, iar pe celălalt terminal al bobinei introducem comanda Boundary selection urmată de comandă Ground, pentru rezolvarea problemei de câmp electrocinetic. Prin declararea pe terminalele bobinei a condițiilor de mai sus se permite evaluarea automată a parametrilor electrici discreți ai circuitului echivalent.
Fig. 5.8 Adăugarea condițiilor limită
Fig. 5.9 Condițiile initiale pentru problema de câmp electrocinetic
Discretizarea modelului în element finit
Din Model Builder>Mesh>Free Triangular>Size* selectam "max element size" adaugăm valoarea (0.3) precum și "minimul element size", adaugăm valoarea (0.01).În final Model Builder>Mesh>Build mesh. Modelul simulat este constituit din " 1137825 de elemente dintre care , 113111 elemente de frontieră și 11272 elemente combinate".
Fig. 5.10 Discretizarea modelului analizat
Pentru rezolvarea sistemului, accesam Model Builder>Study>Compute.
Rezolvarea problemei și afișarea rezultatelor
Model Builder>Results>*Arrow>Expression>3D Plot Group>Surface1>Max/Min Volume> Expresion [V]>Unit[V]
Fig. 5.12 Reprezentarea grafică a potențialului electric (Vmax, Vmin)
Fig. 5.11 Reprezentarea graficului ce indica variatia potentialul electric [A/m2]
Fig. 5.13 Potențialul electric [V]
Model Builder>Results>*Streamline>Expresion "ec.normJ", unit [A/m2], pentru afisarea densitatii curentului.
Fig. 5.14 Reprezentarea valorilor extreme ale densității de curent pe suprafața bobinei
Rezolvarea problemei de camp magnetic
Din Meniul Principal>Add physics>AC/DC>Magnetic fields
Fig. 5.15 Definirea condițiilor inițiale pentru problema de câmp magnetic
Se aplică noțiunile fizice din domeniul câmpului magnetic. În domeniul de calcul se aplică legea lui Ampère pentru componenta magneților permanenți.
Model Builder>Magnetic fields>Ampere's Law>Magnetic field>Constitutive relation se definește valoarea materialului pentru matricea de magneți permanenți conform (8) Remanant flux density cu (Br=1.5 T) pe axa Ox [42]:
B=µ0 µrH + Br (5.14)
Fiind o problemă globală, densitățile de curent in direcțiile Ox,Oy,Oz ce au rezultat în urma simulărilor de câmp electrocinetic, vor fi introduse ca intrări variabile (ec.Jx, ec.Jy, ex.Jz), pentru rezolvarea problemei de câmp magnetic astfel:
Model Builder>Magnetic fields (mf)>External current density>*ec.Jx, ec.Jy, ecJz
*Nota: ec.Jx, ec.Jy, ecJz se introduc manual
Fig. 5.16 Introducerea datelor de intrare pentru rezolvarea problemei de câmp magnetic
Pentru aceasta accesam: Model Builder>Results>Deriver Values>Surface integration> * Dataser > Study1/Solution 3 (1)
*Expressin>Component1>Electric currents>Currents and charge>Current density (spatial).
Înainte de a rezolva problema de câmp magnetic se adăugă obțiunea de calcul a forței electromagnetice (necesară pentru rezolvarea problemei structurale) ca în figură de mai jos.
Model Builder>Magnetic fields (mf)>Force calculation>*Selectam suprafețele bobinei *Force name>Forța
* Tourque axis (x,y,z) 0,0,1 – se definește direcția Oz în care acționează forța (în acest caz perpendicular pe lamela microactuatorului).
Fig. 5.17 Adăugarea densității de curent(mf)
Este rezolvată problema de câmp magnetic precum și calculul forței care acționează asupra microactuatorului electromagnetic.
Se calculează vectorul potențialului magnetic, intensitatea câmpului magnetic și inductanța (fluxul magnetic).
Model Builder>Results>Arrow>Expression>"mf.normB"/" ec.normJ">Unit [T]/A/m^2.
Fig. 5.18 Reprezentarea fluxului magnetic (T)
Fig. 5.19 Reprezentarea densității fluxului magnetic (A/m2)
Forțele magnetice acționează ca forțe externe pe structura microactuatorului și produc deformații și deplasări.
Model Builder>Results>3D Plot Group>Arrow Volume> Expression> Xcomponent: mf. Forcex_Forța; mf.Forcey_Forța; mf.Forcez_Forța, pentru afișarea forței în direcția în care acționează, în acest caz perpendicular pe suprafața actuatorului.
Fig. 5.20 Reprezentarea direcției forței electromagnetice ce actionează asupra actuatorului
Rezolvarea problemei structurale
Folosind forțele magnetice calculate în urma dezvoltării problemei de câmp, rezolvăm problema structurală astfel:
a) adăugam problema de Solid Mechanics
Din Meniul Principal>Add physics>Structural mechanics>Solid Mechanics (solid)
Fig. 5.21 Adaugarea problemei structurale Solid Mechanics (solid)
b) definirea condițiilor inițiale pentru determinarea problemei structurale
Model Builder>Solid Mechanics>Fixed Constraint>Select domains
Fig. 5.22 Adăugarea condițiilor inițiale de încastrare
Selectam din Model Builder>Solid Mechanics (solid)>Body Load>Domain Selection> Force > Load type>Lorentz Force Contribution.
c) rezolvarea problemei și afișarea rezultatelor
Fig. 5.23 Reprezentarea deformării lamelelor sub acțiunea forței
În figură de mai sus este reprezentată forța care acționează asupra lamelei elastice și a matricei cu magneți permanenți, producând o deplasare a lamelelor elastice de 1.1E-5 m, pentru Br (inducția reziduală), orientat în direcția Ox. În acest caz, soluția constructivă care trebuie adoptata este de a alinia matricea de magneți permanenți cu inducția magnetică reziduală orientată orizontal, pe axa Ox. De aceea este determinată o intensitatea maximă a curentului electric de conducție de 9.45 (J/m2)
Concluzii ale studiului privind modul de comportare a actuatorului electromagnetic
În acest studiu s-a realizat atât modelarea matematică cât și simularea numerică a interacțiunilor de câmp electromagnetic care sunt produse într-un actuator de tip consolă cu lamele elastice, în condiții de lucru staționar. Unghiurile de deflexie ale lamelelor flexibile din PI (polyimide) pot fi controlate prin reglarea curentului electric de acționare din bobina.
Modelele de câmp electromagnetic staționar și structural (eforturi-deformări) sunt cuplate simultan. Astfel forțele electromagnetice reprezintă date de intrare utilizate în analiza structurală. Modelarea 2D poate da o estimare a actuației în sensul ordinelor de mărime ale forțelor electrodinamice și deformărilor mecanice.
Analiza modală este esențială în proiectarea și controlul în condiții dinamice a unui BCM, pentru a evita instabilitatea structurală care poate apărea în condițiile de lucru normale. Totuși trebuiesc evitate condițiile de lucru ale BCM-ului în apropierea acestor frecvențe pentru reducerea riscului de pătrundere în zona de rezonanță.
Prezentare simulării numerice, in vederea determinarii tensiunii induse printr-o bobină plană cu o singură înfășurare (microsistem cu rol de senzor)
Scopul acestei simulări este de a determina tensiunea indusă într-o bobină plană cu o singură înfășurare sub acțiunea unui singur magnet permanent ce produce câmp magnetic pe întreaga suprafață a bobinei. Descrierea acestei simulări a constat în simumarea numerică reprezentată de deplasarea axială a magnetului, producând o tensiune indusă la bornele bobinei.
Un exemplu practic, îl putem găsi la acumulatorul unei lanterne, care sub acțiunea unei deplasări axiale este pus în mișcare un magnet care trece prin interiorul unei bobine, producând tensiune la bornele acesteia. În consecință aceasta simulare analizează mișcarea unui magnet cu dimensiuni milimetrice pe o distanță declarată în apropierea unei bobine plate cu o singură înfășurare pentru a verifica valoarea tensiunii induse în raportul dintre frecvență și timp. Deplasarea magnetului permanent este semnificativă, astfel încât aplicația utilizează o funcție de meshare prin alunecare, fiind o derivată de deformare a meshului, caracteristica acestui tip de exemplu de simulare. Rolul acestei particularități a meshului este acela că geometria elementelor fizice își schimbă forma în cazul unor fenomene fizice, fără ca material să fie eliminat din formula de compilare a programului de simulare a calculelor. Diferența dintre geometria deformată și interfața particulară a meshului este că acesta definește o deformare a materialului în raport cu modificarea geometriei, pe când în acest caz, el este utilizat pentru a arăta deformările dependente în raportul dintre frecvența si timp, fără ca geometria să își schimbe forma din cauza dinamicii problemei.
Fig.5.24 Proiectarea ansamblului în programul SolidWorks
Simularea numerică este realizată în modulul Axisymmetric 2D, deoarece spațiul de modelare corespunde unei forme dreptunghiulare în planul "RZ", fiind constrâns de condițiile limită a câmpului magnetic. Reprezentarea componentelor acestui ansamblu sunt formate din funcții primitive de forma dreptunghiulară atât în cazul bobinei cu o singură înfășurare, cât și în cazul magnetului permanent. Pentru acest studiu în care se calculează tensiunea indusă la bornele bobinei, unghiurile ascuțite ale configurației, nu influențează rezultatele finale sub acțiunea câmpului magnetic. Valorile de tensiune sunt calculate pe întreg domeniul câmpului magnetic aplicat.
Această caracteristică presupune că toate elementele din ansamblu sunt disjuncte, creând în mod automat o entitate virtuală la atingerea limitelor aplicate câmpului magnetic. Pentru aceasta accesăm funcția "Identity Pair", pentru a defini o continuitate ansamblului creat, reprezentand și condiția de frontieră în interfața cu câmpul magnetic. Pentru realizarea unei acurateți ridicate, declarăm valori cât mai mici pentru constrangeria rețelei de meshare aplicat ansamblului. Se introduc condițiile limită pentru analiza tranzitorie ulterioară a câmpului magnetic în care magnetul executa mișcarea de translație de-a lungul axei de simetrie.
Definirea parametrilor de frecvență pentru oscilația magnetului permanemt
File>New>Select Space Dimension>2D Axisymmetric.
În fereastra Select Physics activăm domeniile în care vom rula aplicația. Selectam domeniile: AC/DC>Magnetic Fields (mf) respectiv, Mathematics>Deformed Mesh>Moving Mesh (ale)>Add>Study.
Simularea este realizată în regim staționar
Select Study tree >Preset Studies for Selected Physics Interfaces>Stationary>Done.
Din Model Builder>Parameters
Fig. 5.25 Declararea parametrilor globali
Se declară parametrii problemei studiate, frecvența de oscilatie a magnetului f0=5[Hz] si perioada de timp în care magnetul oscilează, apoi se crează primitivele ansamblului la care se vor aplica condițiile de frontieră.
Declararea parametrilor globali
1. Model Builder>Component I>Geometry I. Selectam unitatea de măsură: cm.
2. Declarăm primitivele:Geometry>Primitives>Rectangle>Settings>Size and Shape
3. Adăugăm valorile pentru magnet:Size:Widht = 1; Height = 3; Position: r = 0; z = -1.5.
4. Adăugăm valorile pentru bobină:Size:Widht = 3; Height = 6; Position: r = 0; z = -3.
5.Adăugăm valorile pentru mesh-ul mobil:Size:Widht=1; Height=0.5; Position: r =0 ;z = 1.
6. Adăugăm val. pentru cavitatea cu aer:Size:Widht=1;Height =0.5; Position: r = 0; z = -1.5.
7. Adăugăm val. pentru cavitatea cu aer:Size:Widht=1;Height =0.5; Position: r = 0; z = 1.6.
8. Atribuim comanda Union I pentru a construi ansablul în funcție de condițiile pe care o să le declarăm: Union I>Select r1,r2 și r3>Build Selected; Union II>Select dif 1 și r4>Build Selected.
9. Model Builder>Geometry I>Form Union(fin)>Settings>Form an assembly.
10. Component I (comp I)>Geometry I>Form Union (fin)>Build Selected.
Fig. 5.26 Reprezentarea ansamblului in 2D
Declararea conditiilor de frontieră pentru magnet
1. Definitions>Explicit>Geometric entity lever>Boundary>Selectam limitele magnetului
2. Definitions>Explicit>Geometric entity lever>Boundary>Selectam limitele de continuitate a campului magnetic.
Fig. 5.27 Declararea limitelor de frontiera pentru magnet
Fig. 5.28 Declararea limitelor pentru continuitatea câmpului magnetic
Definirea parametrilor de material
Model Builder>Add Material>Built-In-Air>Add Component
Definirea condițiilor limită pentru câmpul magnetic
Setarea valorilor de calcul pentru magnet
Setăm magnetizarea reziduală la valoarea de Br=30 T.
Selectam Physics toolbar>Domain>Ampere's Law>Selectam domeniu.Selectam>Settings> Material Type>Solid>Magnetic Field>Conductutive relation>Remanent flux density> Br vector.
Fig. 5.29 Setarea condițiilor limită pentru magnet
Definirea condițiilor pentru bobină plată cu o singură spiră
Physics>Domains>Coil>Select domain 3>Material type>Solid>Conductor model>Single Turn Coil > Continuity>Magnetic Insulation>Boundary Selected.
Fig. 5.30 Setarea condițiilor de frontieră pentru bobină
Definirea zonelor de discretizare
Physics>Pairs>Continuity>Settings>Pair Selections>Identity Pair I>Constraint settings> Use weak constraints.
Model Builder>Continuity I>Magnetic Insulation I>Constraint Settings>Use weak constraints.
Physics>MagneticFields(mf)>MovingMesh(ale)>Settings>DomainSelection>Select> Manual > Select Domain.
Fig. 5.31 Declararea domeniilor prin care se execută discretizarea mobilă
Declararea zonei de discretizare deplasare 1
Physics>Domains>Free Deformation>Selecct Domain
Declararea zonei de discretizare deplasare 2
Introducem valoarea deplasării pe direcția Oz a meshului mobil dz=3[mm]*sin(2pi*f0*t)
Physics>Boundaries>Prescribed Mesh Displacement. Settings>Boundary Selection > Selection li t>Magnet Boundaries.
Locate Prescribed Mesh Displacement section In the dz text field, type 0.1[mm]* sin(2*pi*f0*t).
Declararea zonei de discretizare deplasare 3
Physics>Boundaries> Prescribed Mesh Displacement. 2>Select Boundaries NO>Settings window for Prescribed Mesh Displacement, locate the Prescribed Mesh Displacement section> Clear the Prescribed z displacement.
Fig. 5.32 Declararea zonei de discretizare mobilă pe directia"RZ"
Definirea zonelor de discretizare statică
Model Builder >Component 1 (comp1) >Mesh 1> Settings> Mesh Settings> Element size list, selectam Fine.
Size 1>Right-click Component 1 (comp1)>Mesh 1 > Size. 2> Settings window for Size > Geometric Entity Selection. Pentru Geometric entity level list>Boundary. Din Selection list> Continuity Boundaries>Element Size>Custom. Element Size Parameters Maximum element size check box, adaugam 0.1[mm] pentru Maximmum element size. Free Triangular 1 1>Model Builder> Mesh 1>Free Triangular. In Settings Free Triangular>Build All.
Fig. 5.33 Declararea zonei de discretizare statică
Definirea parametrilor pentru regimul staționar
Study>Study Steps>Time Dependent>Time Dependent. 1 În Settings accesăm Physics and Variables Selection> Moving Mesh.
Pentru studiul în realizarea graficului dintre timp și frecvența deplasării, accesăm Settings window for Time Dependent> Study Settings > Times text field, type range(0,T0/50,T0)> setam toleranta relativă 0.0001.>Study>Compute.
Fig. 5.34 Parametrizarea raportului frecvență/timp
Rezolvarea problemei de flux magnetic
Home>Add Plot Group>1D Plot Group. 1
Model Builder> Magnetic Flux Density Norm (mf). 2
Settings> 2D Plot Group> Data. 3
Pentru reprezentarea graficului: Time (s) alegem 0.2> Mesh 1>Results>Magnetic Flux Density Norm (mf )>Mesh 2>Magnetic Flux Density Norm (mf)>Plot.
Fig. 5.35 Reprezentarea fluxului magnetic (T)
Fig. 5.36 Reprezentarea fluxului magnetic in raport cu timpul t = 0.5 s
Definirea graficelor:Global 1>1D Plot Group 3>Global. 2 In Settings>Replace Expression> Model>Component 1>Magnetic Fields>Coil parameters>mf.VCoil_1 – Coil voltage.>1D Plot Group 3>Plot. În fereastra Model Builder>Results>1D Plot Group 3>Rename 1D Plot Group>Coil Induced Voltage>OK.
Fig. 5.37 Valoarea tensiunii la bornele bobinei cu 1 spiră
Fig. 5.38 Tabel cu valorile de tensiune recuperată la bornele bobinei în raport cu timpul
Analiza structurală a frecvențelor proprii
Modelul este valid atâta timp cât deplasarea nu are un comportament rezonant. Intervalul de frecvență util pentru controlul dispozitivului de acționare este limitat de prima frecvență. În figură 5.39 a)…..i) sunt prezentate primele zece rezonanțe. Frecvența de control este limitată la 1000 Hz, acoperind gama de frecvente necesară. În Figure 5.39.a) … i) sunt prezentate primele zece hărți cu gradient de culoare specific deformările frecvențelor proprii cu un factor de amplificare A. Pentru actuatorul cu lamele flexibile, Aria = 326.37 mm2 iar, Masa = 0.03 grame. Analiza modală este importantă în proiectarea actuatorilor pentru ca avem posibilitatea de a aplica condițiile dinamice de funcționare, pentru evitarea stărilor de instabilitate structurală care pot să apară în funcționare.
Fig. 5.39 a) f 1384 Hz Fig. 5.39 b) f 2524.8 Hz
Fig. 5.39 c) f4083.5 Hz Fig. 5.39 d) 7167.2 Hz
Fig. 5.39 d) f7927.5 Hz Fig. 5.39 e) f9309.1 Hz
Fig. 5.39 f) f13592 Hz Fig. 5.39 g) f17701 Hz
Fig. 5.39 h) f17051 Hz Fig. 5.39 i) f17538 Hz
Fig. 5.40 Reprezentarea grafică a deplasarii structurii în raport cu intervalul de frecveță
Fig. 5.41 Deplasarea structurii în functie de intervalul frecventei
Concluzii
În acest studiu s-a realizat modelarea matematică și simularea numerică a interacțiunii câmpului electromagnetic care au loc într-un dispozitiv de actionare de tip consolă cu lamele elastice, in condiții de studiu cvasi-stationar, realizat prin scanare liniară de joasă frecvență. Deformarea lamelelor flexibile din PI, pot fi controlate prin reglarea curentului electric din bobina plată. Regimul câmpului electromagnetic precum și modelul structural formează un ansamblu. Prin urmare, forțele electromagnetice reprezintă datele de intrare și ieșire utilizate în analiza structurală. Modelarea 3D poate da o estimare cu privire la mărimea forțelor electrodinamice și deformările mecanice.
Analiza modală este esențială în proiectarea și realizarea unui control dinamic al unui BCM, pentru a evita instabilitatea structurală care poate apărea în condiții normale de lucru. Cu toate acestea, ar trebui evitate condițiile de lucru în jurul acestor frecvențe pentru a reduce riscul de a intra în rezonanță.
CAPITOLUL 6 TEHNOLOGII DE PROCESARE APLICATE PENTRU REALIZAREA COMPONENTELOR UNUI SISTEM MEMS
Exemple de tehnologii de procesare pentru realizarea microreperelor specifice MEMS
Este clar că fabricarea acestor dispozitive prin procedee traditionele de prelucrare mecanică (strunjire, frezare, găurire, sudare, etc) este depășită, datorită dimensiunilor reduse. De aceea au apărut și s-au impus pe piața o serie de tehnologii de fabricație și de noi mașini care să corespundă noilor cerințe în ceea ce privește dimensiunea redusă și precizia dimensională.
Tehnologiile care răspund producerii acestor dispozitive miniaturale sunt cunoscute generic ca microfabricatie (micromashining). Spre exemplu, se pot obține microstructuri tridimensionale, îndepărtând o parte din material prin gravare chimică, sau fizica, sau depunând filme subțiri de material pe o bază solidă. Sunt mai multe categorii mari ale tehnologiilor de realizare a microreperelor specifice MEMS, subliniate mai jos:
a) Bulk Micromachining:
„Bulk Micromachining” este o tehnică de fabricație care construiește elemente micromecanice, pornind de la o plăcuță de siliciu, și apoi elimină părțile nedorite, rămânând doar cu dispozitivele dorite. În general, plăcuta are un model fotografic (“tipar”), lăsând un strat protectiv pe părțile care se doresc a fi păstrate. Plăcuța este apoi scufundată într-un lichid coroziv cum ar fi hidroxidul de potasiu, care “mănâncă” orice zonă de siliciu expusă. Acesta este un proces de fabricație relativ simplu și neconstisitor, potrivit pentru aplicații care nu necesită o mare complexitate, și care se doresc a fi ieftine.
Astăzi, aproape toți senzorii de presiune sunt construiți cu tehnologia „Bulk Micromachining”. Senzorii de presiune „bulk micromachining” oferă câteva avantaje în fața senzorilor tradiționali de presiune. Ei sunt mai ieftini, sunt foarte fiabili, ușor de construit, și cu o foarte bună repetabilitate între dispozitive.
b) Surface Micromachining:
În timp ce „Bulk Micromachining” crează dispozitive prin erodarea unei plăcuțe („gravare”), tehnologia „Suface Micromachining” construiește dipozitive din wafer, strat cu strat.
Un proces tipic „Surface Micromachining” este o secvență repetitivă de depunere de straturi fine de film pe o plăcuță, stabilirea modelului („șablonului”) prin metode fotografice și apoi erodarea modelul din film. Pentru a putea creea piese în mișcare, mașini funcționale, aceste straturi alternează straturi subțiri de film din materiale structurale (în general siliciu) și material de sacrificiu (în general dioxid de siliciu). Materialul structural va forma elementele mecanice, iar materialul de sacrificiu va crea cavități și spații între elementele mecanice. La sfârșitul procesului, materialul de sacrificiu este înlăturat, și elementele structurale sunt lăsate să se miște liber.
„Surface Micromachining” necesită mai mulți pași de fabricație decât „Bulk Micromachining”, și deaceea este mai scumpă. Această tehnologie este capabilă de a creea dispozitive mult mai complicate, capabile de o funcționalitate sofisticată. „Surface Micromachining” este potrivită pentru aplicații care necesită elemente mecanice mai sofisticate.
c) Deep Reactive Ion Etching:
„Deep Reactive Ion Etching” este un tip de „Bulk Micromachining” care erodează elementele mecanice într-o plăcuță de siliciu. Față de tehnologia tradițională „Bulk Micromachining” care folosește o erodare chimică udă, „Deep Reactive Ion Etching” folosește o erodare prin plasmă pentru a creea dispozitivele. Acest lucru permite o mai mare flexibilitate în erodarea profilelor, permițând o gamă de elemente micromecanice mai largă. Uneltele de fabricație necesare pentru a realiza „Deep Reactive Ion Etching” sunt oarecum scumpe, mai scumpe decât cele ale tehnologiei „Bulk Micromachining” bazate pe erodare umedă (chimică).[43]
De vreme ce dispozitivele MEMS sunt create cu aceleași unelte folosite la creearea circuitelor integrate, în unele cazuri este posibil să se construiască micromașini și microelectronică pe aceeași plăcuță de siliciu. Fabricarea mașinilor și tranzistorilor unul lângă altul permite mașini care să aibă propria inteligența. Pe piata industriei emergente au apărut deja produse uimitoare care profită de acest avantaj.
După depunerea galvanică, structurile analizate au fost realizate prin tăiere pe o mașină de electoeroziune cu fir tip EDM Smart DEM, folosind fir de alamă producător DacoCut – Germania, diametru 0,25mm, 980N/mm2, obținându-se o viteză de tăiere de aprox. 1,2mm/min., ca în figura 6.1.
a) b)
Fig. 6.1. Structuri de test pentru determinarea caracteristicilor de material a) plan de prelevare,
b) decupare prin electroeroziune cu fir [43]
Metoda operațională de realizare a magneților permanenți prin electroeroziune
Dezvoltarea acestor tehnici de fabricație pot fi folosite pentru orice alte aplicații care necesită precizie de proiectate, controlate de magneți permanenți.
Fenomenul de electroeroziune constă în dislocarea de materie din două obiecte, conducătoare electric, aflate la o distanță unul de altul și între care există o diferență de potențial electric "V". Presupunem cele două piese aflate inițial la distanță D și diferența de potențial electric V, încep să fie apropiate unul de altul. Distanța la care se va străpunge dielectricul din mediul în care se afla cele două obiecte (apă, aer, combustibil), va arăta o descărcare electrică între cele două piese numite "GAP" sau "Interstițiu". În urma producerii arcului electric, o anume cantitate de materie va fi dislocata din cele două piese. Dacă nu se intervene asupra acestora, arcul electric se va menține până când distanța dintre cele două piese va crește, datorită dislocării de materie va depăși interstițiul. În prelucrarea materialelor prin electroeroziune, acest fenomen destructiv este optimizat și exploatat în mod corespunzător.
Fig 6.2. Modelul schematic privind tehnologia de procesare prin electroeroziune [44]
Astfel, introducând cele două piese, piesa care se dorește a fi prelucrata și scula cu care se face prelucrarea, firul în cazul mașinilor cu fir, într-un lichid dielectric, apa distilată, sau un anume compus petrolier, acest fenomen este amplificat, deoarece arcul electric care se produce între sculă și piesa prin vaporizare locală a materiei crează o bulă de gaz. Astfel se produce, în lichidul dielectric, o bulă de plasmă, care ridică foarte repede temperatura din zona prelucrată în jurul valorii de 8 000 – 12 000 oC și care crește și accelerează fenomenul de dislocare de material în stare topită la suprafață celor doi electrozi. Cantitatea de material dislocata prin eroziune din electrod și din piesă este asimetrică și depinde foarte mult de anumiți parametri: polaritatea, conductibilitatea terminca, punctul de topire al materialului din care sunt alcătuite piesa și electrodul, caracteristicile curentului aplicat între piesa și electrod.
Fig 6.3 Etapa de programare a mașinii de electroeroziune cu fir realizat la I.C.P.E.
Atunci când diferența de potențial dintre sculă și piesa este întreruptă, scăderea bruscă a temperaturii provoacă implozia bulei de gaz, creând forțe dinamice, care au efectul de a proiecta materialul topit în afară craterului format. Atunci, materialul erodat se solidifica în dielectric și este eliminat din zona printr-un flux de dielectric. Acestea sunt fenomene microscopice care se produc rapid și într-un număr foarte mare, asfel încât efectul cumulat al acestora devine macroscopic. Mașinile de electroeroziune cu fir sunt mașini capabile de mișcări în 5 axe, capul inferior 2 axe, X și Y iar capul superior 3 axe, U,V și Z. Piesa rămâne fixă în timpul prelucrării, solidara cu masa mașinii, fiind decupata, pentru a da posibitatea firului să se deplaseze în conturul acesteia.[83]
Fig. 6.4. Poziționarea materialului brut pentru realizarea etapei de procesare prin electroeroziune
Fig 6.5. Procesul de execuție a magneților permanenți
Fig 6.6. Etapa finală de procesare prin electroeroziune
Firul poate fi înclinat, făcând posibile tăieri înclinate sau profile diferite în planul de sus față de planul de jos al piesei. Acesta nu intra niciodată în contact cu piesă, fiind construit din alamă sau cupru, cu diametru între 0.02 și 0.3 mm.
Mașinile de electroeroziune cu fir folosesc o sârmă (electrod) pentru a tăia un contur dorit realizat prin programarea acesteia într-o piesă metalică. Astfel, se obțin precizii deosebite, folosind mașinile cu electroeroziune cu fir în tăierea materialelor, putându-se obține ajustaje foarte precize doar prin tăiere. Tăierea se face în piesă, fiind necesară practicarea unei găuri de plecare, pentru introducerea firului, sau plecarea printr-o margine. În zona de lucru, fiecare descărcare produce un crater în piesă, fiind înlăturat materialul, dar și producerea unei uzuri a sculei, în acest caz al electrodului. [44]
Fig 6.7. Micromagneți permanenti prelucrați prin electroeroziune
Metode de realizare a reperelor micromecanice prin litografiere laser
Primul laser funcțional a fost construit de Theodore Maiman în 1960 și avea ca mediu activ un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash. Primul laser cu gaz a fost construit de fizicianul iranian Ali Javan în 1960 folosind un amestec de heliu și neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroșul apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în domeniul vizibil, la 633 nm. Cercetările desfășurate de Ion I. Agârbiceanu în fizică și spectroscopie au cunoscut o amplificare substanțială din 1956, prin înființarea Institutului de Fizică din București și a laboratorului de metode optice și fizică nucleară. În 1963, a fost construit în acest laborator, sub îndrumarea lui Ion I. Agârbiceanu, primul laser românesc cu gaz, după o concepție originală, brevetată [45].
Spre deosebire de radiațiile termice obișnuite, radiația laser are o serie de proprietăți
valoroase și deosebit de importante: este coerentă, monocromatică și de mare intensitate. Clasificarea laserilor se poate face după [46]:
natura mediului activ (solid, lichid, gazos);
puterea emisă;
domeniul de lungimi de undă al radiației emise;
modul de funcționare (continuă sau în impulsuri).
Proprietățile radiației laser [47]:
monocromaticitate – un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă;
coerenta spațială și temporală;
direcționalitate – proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică;
intensitate – unii laseri sunt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor.
Domenii de utilizare a laserilor[48]:
in industrie
Razele puternice ale laserelor pot fi orientate pe mici puncte, având o densitate ridicată a puterii. Astfel, razele pot încălzi, topi sau vaporiza materialul într-o manieră precisă. Laserele au fost folosite, de exemplu, pentru a găuri diamante, pentru a șlefui metale, în construcția chip-urilor electronice și în încercarea de a induce fusiunea nucleară controlată. Laserele sunt folosite în monitorizarea particulelor foarte mici, fiind și cele mai fine detectoare ale poluării aerului. Laserele au fost folosite în determinarea precisă a distanei Pământ-Lună și în testele de relativitate.
in stiința
Deoarece lumina laserelor este monocromatica și foarte bine directionabila, ele sunt folosite în sstudiul molecular al materiei. Cu ajutorul laserelor, viteza luminii a fost determinată cu o acuratețe foarte mare, iar existența unor materiale cu structuri foarte fine pot fi astfel ușor determinate.
in comunicații
Lumina laserului poate parcurge o distanta foarte mare fara sa-si piarda din intensitatea semnalului. Din cauza frecventei sale, lumina laserului poate transmite de exemplu, de1000 de ori mai multe canale de televiziune decât cele transmise de microunde. Au fost create fibre optice capabile să transmită laserul în industria telefonică sau cea a computerelor. Mai sunt utilizate și în industria CD-playerelor și a unităilor de scriere a informaiei pe suport multimedia – DVD, BluRay Disc.
in medicină
O rază intensă de laser poate tăia sau cauteriza anumite țesuturi, fără a le afecta pe cele sănătoase. Au fost folosite în tratarea retinei și în cauterizarea vaselor de sange rupte.Tehnicile pe baza laserului au fost utilizate pentru teste de laborator pe mici mostre biologice.
in armată
Sistemele de ghidare a rachetelor, a navelor și a sateliților au la bază laserul. Utilizarea undelor laser au fost folosite în distrugerea rachetelor dușmane de către sistemul defensiv al lui Ronald Regan din 1983. Abilitatea reglării laserelor poate deschide noi perspective în separarea izotopilor în construcția de arme nucleare.
in microtehnologii
Microtehnologiile și microsistemele produse au o serie de atribute care le fac atractive pentru piață . Avantaje:
sunt pretabile la costuri scăzute și volume mari de producție;
implica gabarite, mase și consumuri de energie scăzute;
acoperă o gamă largă din punct de vedere al funcționarii și utilității;
sunt ușor de integrat la sistemele de comandă și control electronice;
sunt bio-compatibile.
Fabricarea microdispozitivelor prin procedee traditionele de prelucrare mecanică (strunjire, frezare, găurire, sudare, etc) este inutilizabila datorită dimensiunilor reduse. De aceea au apărut și s-au impus pe piața o serie de tehnologii de fabricație și de noi mașini care să corespundă noilor cerințe în ceea ce privește dimensiunea redusă și precizia dimensională. Tehnologiile care răspund producerii acestor dispozitive miniaturale sunt cunoscute generic ca microfabricatie (micromashining). Spre exemplu, se pot obține microstructuri tridimensionale, îndepărtând o parte din material prin gravare chimică, sau fizica, sau depunând filme subțiri de material pe o bază solidă.
Procesul de litografiere laser
Litografia este procesul de transferare a configurațiilor geometrice de pe o mască pe un substrat subțire de material sensibil la radiații (numit rezist) care acopara suprafața unei plachete [49]. Litografia este une dintre cele mai importante tehnologii de lucru, atât în microelectronica cât și în micromecanica, indiferent dacă este vorba de prelucrarea Si, de corodarea cu ioni reactivi sau de procesul LIGA.
Ea prezintă marele avantaj al structurării la dimensiuni de ordinul micrometrilor sau submicrometrilor, realizate cu ajutorul fasciculelor de lumină sau de particule. Alt avantaj important îl reprezintă prețul scăzut pentru producția de masă. LIGA este o tehnologie bazată pe litografia UV sau cu reze X, care crează dispozitive de mici dimensiuni, dar cu o rată de aspect relativ mare, folosind litografia pentru a crea un șablon (o matrița) de mare precizie [43]. Este o tehnologie dezvoltata la Karlsruhe Nuclear Research Center, în Germania, la începutul anilor ‘80, inițial pentru producerea de microduze pentru îmbogățirea materialului nuclear. Acum LIGA este una dintre cele mai importante tehnologii ce produce microsisteme ce nu sunt bazate pe siliciu.
Etimologia termenului LIGA este un acronim ce provine de la denumirea tehnologiilor clasice care compun întregul proces tehnologic, din limba germană, astfel:
Litographie LI (litografie)
Galvanoformung G (depunere galvanică)
Abformung A (deformare plastică la cald)
LIGA este o tehnologie care crează dispozitive mici, dar cu o rată de aspect relativ mare, folosind litografia cu raze X pentru a crea un șablon (o matrița) de mare precizie. În ultimul timp, procedeul litografierii cu raze X a fost înlocuit, de unele institute, cu litografia laser cu UV. Procesul pornește, în general, cu o folie de lac fotosensibil depusă pe un suport rigid, în care este „săpată” configurația viitoarei piese, realizându-se o matrița. Plăcută este apoi plasată într-o baie galvanică, unde spațiile goale sunt „umplute” prin electrodepuneri. După depunere, lacul fotorezistent rămas este înlăturată prin procedee chimice, sau în instalații cu plasmă, funcție de fotorezistul utilizat, rezultând elemente microscopice metalice extrem de precise.
Aceste piese pot fi utilizate că piese finite în diverse dispozitive sau ca și scule în vederea unei operații ulterioare de stanțare într-un material mai moale,
LIGA este relativ ieftină și potrivită pentru aplicații ce necesită dispozitive cu rațe de aspect mai ridicate decât se pot atinge cu ajutorul altor tehnologii (raportul Înălțime/lățime este foarte bun, putând depăși ușor 10). Avantaje:
sunt posibile grosimi de piese de câteva sute de micrometri, până la 1…1,2 mm;
geometria nu este limitată la structuri 2D;
dimensiunile minime pot fi foarte mici (până la 1 µm);
principalul avantaj al tehnologiei LIGA este că poate realiza piese de mici dimensiuni cu costuri mult mai scăzute decât prin alte tehnici (prelucrare mecanică) și că nu este dependentă de tehnologia pe siliciu.
Limitări:
Litografia cu raze X este scumpă și implică un process complicat și echipamente greu de obținut. Alte limitări apar în timpul procesului tehnologic și pot include precizia de execuție și de aliniere a măștilor,divergentă fasciculului, deformațiile termice, mediul de lucru care trebuie să fie lipsit de noxe (clean room).
Având ca baza tehnica litografierii laser UV, procesul tehnologic are următoarele avantaje :
sunt posibile grosimi de piese de câteva sute de micrometri, până la 1…1,2 mm;
geometria nu este limitată la structuri 2D;
dimensiunile minime pot fi foarte mici (până la 1 µm).
Procedeul LIGA aplicat pentru realizarea microsistemelor MEMS
Procedeul LIGA se referă deobicei la structuri a căror înălțime depășește 100 μm și ajunge la 1 mm, și care au nevoie, în etapa de litografiere, de radiație X sincrotronică. Un exemplu îl reprezintă procesul de fabricație pentru realizarea de repere micromecanice prin tehnologie LIGA. În procesul de fabricație au fost realizate roti dințate miniaturale cu diametrul exterior de 0,9 mm, depuse galvanic din Ni pe suport de Si acoperit cu fotorezist SU8 de 100 µm grosime. Au fost optimizați toți parametrii de proces pentru expunere, developare, depunere galvaanica și îndepărtare SU8 expus. S-au făcut măsurări dimensionale pentru piesele finite, comparându-le cu datele de proiectare. Această cercetare implică faptul că pot fi dezvoltate la prețuri scăzute și cu mare flexibilitate de proiectare diferite tipuri de dispozitive MEMS. [50]
În acest capitol sunt prezentate etapele de fabricare a structurilor mecanice folosind tehnologia LIGA. În procesul de fabricație au fost produse dispozitive în miniatură, cu diametrul exterior de 0.9 mm, electroplacarea de la Ni pe o plăcuță de siliciu acoperită cu fotorezist de grosime 100 µm. Măsurători dimensionale au fost făcute pentru piesele finite, comparându-le cu datele proiectate. Această cercetare implică faptul că diferite tipuri de dispozitive MEMS pot fi dezvoltate la un cost redus precum și o flexibilitate de proiectare ale acestora. Acest exemplu are ca obientiv punerea în aplicare a tehnologiei LIGA în ICPE-CA, folosind echipamentele existente și de a prelucra piese micromecanice folosite la fabricarea de sistemele (MEMS). Fabricarea acestor dispozitive de mici dimensiuni este în mod clar dincolo de mijloacele mecanice tradiționale, cum ar fi: găurirea, frezarea, turnarea, sudarea. Din acest motiv, au fost elaborate iar mai apoi impuse pe piață o serie de noi tehnologii de producție care îndeplinesc noile cerințe în ceea ce privește dimensiunile reduse și precizie dimensională.
Tehnica LIGA, combinată cu electroplacarea oferă posibilitatea realizării de produse miniaturizate sub formă de structuri magnetic dure. S-a avut în vedere teastarea unor aditivi în baia de electrolit, pentru diminuarea tendinței de apariție a microfisurilor pe suprafața aliajelor depuse. Prin proiectarea și executarea unei instalații experimentale de volum mare, cu posibilități crescute de ajustare a parametrilor de proces, precum și cu facilități legate de posibilitatea aplicării de câmpuri magnetice de diferite valori în timpul procesului de electroplacare se intenționează realizarea de structuri feromagnetice de straturi groase pe bază de aliaje multicomponente cu performanțe magnetice sporite.
Tehnologiile utilizate pentru a produce aceste componente de mici dimensiuni sunt cunoscute generic ca tehnologii microfabrication sau micromashining. De exemplu, se pot obține microstructuri tridimensionale, eliminând o parte din materialul de gravare chimică sau mecanică sau prin depunerea de straturi subțiri pe bază de material solid (microprelucrare pe suprafață). Aceste tehnici au mai multe dezavantaje, cum ar fi o tensiune mare a structurii mecanice pentru microprelucrarea unei structuri cu o masă considerabilă și o limită a grosimii structurii depuse pentru "microprelucrarea la suprafață". Pentru a elimina dezavantaje din acest proces tehnologic s-a dezvoltat tehnologia LIGA, care creează dispozitive mici, dar cu un raport ridicat de precizie, folosind litografia cu raze X. Descoperirile recente în domeniul chimic au permis dezvoltarea unui proces UV-LIGA.
Tehnica UV-LIGA utilizează fie un fotorezist pozitiv, fie un fotorezist negativ sensibil la raze ultraviolete. Procesul pornește, în general, de la o plachetă rigidă acoperită cu o peliculă de fotorezist grosă, în care este proiectată configurația viitoarei piesei iar în acest fel ce crează modelul propus. Plăcuța se introduce apoi într-o soluție galvanică, în care spațiile goale sunt umplute prin electro-depunere. După depunere, fotorezistivul rămas este îndepărtat, rezultând elemente metalica extrem de precise, acestea fiind observabile cu ajutorul microscopului. Aceste piese pot fi utilizate ca piese finite în diferite dispozitive sau ca instrumente pentru operațiile ulterioare de perforare într-un material mai moale. Structurile fabricate prin tehnologia LIGA se caracterizează prin următoarele proprietăți:
pereți formați aproape paraleli și/sau verticali (după caz) în interiorul piesei;
stabilitate dimensională laterală pe anumite distanțe de la câțiva micrometri la câțiva centimetri;
detalii structurale fezabile la dimensiuni de 1µm;
costuri reduse în comparație cu alte tehnologii de microfabricatie.
Principalul avantaj al tehnologiei LIGA (fig.6.8) este că poate realiza piese de mici dimensiuni cu costuri mult mai scăzute decât prin alte tehnici (prelucrare mecanică) și că nu este dependentă de tehnologia pe siliciu.
a) b) c)
d) e) f)
Fig. 6.8 Principalii pași pentru obținerea de repere prin tehnologia LIGA, a) Expunere; b) Developare; c) Electrodepunere; d) Fabricare matriță; e) Înlăturare fotorezist; f) Matrițare [43]
Sistemul de litografiere laser DWL66FS; Litografia prin scriere directă
În figura urmatoare este prezentat spectrul unei lămpi cu mercur, folosite în tehnica litografierii. Pentru liniile spectrale de 550 nm sau mai mult, lacurile fotarezistente utilizate în ziua de azi sunt complet insensibile. Fotorezistul Novolac are o sensibilitate largă pentru toate liniile spectrale (g, h și i). SU8 este sensibil și are o transparentă înalta doar pentru linia spectrala i și este încă sensibil dar nu mai este transpatent pentru intensitatea redusă a liniei de 335 nm .
Fig. 6.9 Spectrul unei lămpi cu mercur [51]
În cazul expunerii, aceasta din urmă trebuie îndepărtată printr-o filtrare eficienta. Deoarece se dorește a se construi repere mecanice cu grosimi cât mai mari am optat pentru utilizarea fotolacului SU8 și am ales un laser cu lungimea de unda de 365 nm. Dimensiunea minimă a structurii ce se prelucrează este dată, teoretic, de difracția Fresnel. [52]
(5.15)
unde:
λ = lungimea de unda la care are loc expunerea;
d = interstițiul dintre masca și fotorezist;
t = grosimea fotorezistului;
k= un factor variabil care depinde de proces și de detaliile luminii.
Pentru a ne forma o idee asupra importanței poziționării măștii pe substrat apelam la un exemplu de calcul.
Exemplu : λ = 436 nm, tRezist = 2µm, k=1;
Masca și fotorezistul sunt apropiate : d=20 µm; →bmin= 3 µm;
Masca și fotorezistul se afla în contact : d=0; →bmin = 0,7 µm.
Exemplul ne arată că este foarte important să să asigure, pentru întreaga suprafață a măștii un întrefier foarte precis între masca și fotarezist. Acest lucru este cu atât mai important datorita faptului ca lățimea liniilor este mai mare, lățimea lor nominală depinzând de mărimea interstițiului, în fiecare punct, dintre masca și fotolac, în timpul expunerii.
În figură următoare este prezentată imaginea lacului fotorezistent apăruta din cauza unei iluminări necorespunzatoare- situație cauzată de fenomenul de difracție.
Fig. 6.10 Structura deficitara a șablonului datorată difracției [51]
Pentru primul pas al tehnologiei LIGA, s-a optat pentru un sistem de litografiere cu laser, capabil să realizeze șablonul piesei de executat prin scriere directă, eliminând astfel necesitatea execuției măștilor, necesare în cazul altor echipamente. Tehnologia de execuție a fost astfel simplificata, implicit și necesarul de echipamente. S-au realizat astfel economii materiale importante.
Sistemul de litografiere cu laser, DWL 66FS a fost achiziționat de la firma Heidelberg Instruments. Caracteristicile principale ale echipamentului sunt [52]:
Pentru realizarea măștilor de protecție prin scriere directă, în tehnologia LIGA. Aplicații : MEMS, Bio MEMS, Micro Fluide, Senzori.
Date tehnice :
Masa de lucru 200 x 200 mm2
Precizie < 0,001 mm
Posibilitate de prelucrare în 3D
Camera termostatata inclusă
Control PC, cu software de transfer CAD-CAM inclus.
Sistemul înlătura neajusurile folosirii măștilor, prin utilizarea unor echipamente controlate de un software specializat, care permit transferul desenului pe suport prin scriere directă. Se înlătură astfel neajunsurile date de posibilitatea apariției unui interstițiu neunifirm între masca și fotorezist. De asemenea nu mai apar perturbații datorate difracției luminii ce apar la interstițiile măștii. Un alt avantaj care nu trebuie neglijat este ca procesul tehnologic se molifica nemaifiind nevoie de măști. Chiar dacă exista firme specializate în execuția măștilor, acestea sunt scumpe, prețul standard fiind de 700 Euro pentru o mască de 5 inch.[52]
Scrierea directă elimina echizitionarea unui echipament de aliniere a măștilor al cărui preț de referință este de 220.000 Euro. Pentru a ne forma o idee în ceea ce privește costurile amintim că pentru a realiza un microsistem complex sunt necesare până la 30 de măști.
Pentru a înțelege cum funcționează sistemul de litografiere cu laser prin scriere directă, în figura 6.5. este prezentată schema de principiu. Sistemul DWL 66FS folosește o tehnologie de baleere matriciala pentru a expune substratul. De aceea, timpul de scriere pentru o anumită configurație de șablon de piesă nu depinde de factotul de umplere al structurii ca în tehnologia vectorială, ci numai de suprafața totală a desenului.
O importantă limitare, folosirea litografiei cu raze X, datorită complexității și costurilor ridicate, a fost evitată, optând pentru o soluție mai simplă, bazată pe sistemul de litografiere cu laser UV, DWL66FS. Cu ajutorul acestuia se realizează primul pas al tehnologiei : se transfera desenul piesei pe care dorim să o executăm, de pe calculator, pe o plăcuță acoperită cu fotorezist SU8 (cel mai utilizat polimer sensibil la lumină în tehnologia LIGA). Procedeul folosit este scrierea directă.[43]
Scrierea directă înlătură neajunsurile folosirii măștilor, în principal legate de timpul de execuție al măștii și de posibilitatea apariției unui interstițiu neuniform între mască și fotorezist. De asemenea nu mai apar perturbații datorate difracției luminii la interstițiile măștii. Scrierea directă elimină achiziționarea unui echipament de aliniere a măștilor cu prețul de referință de 220.000€.
Scrierea directă folosește o metodă de baleere matricială pentru a expune substratul. De aceea, timpul de scriere pentru o anumită configurație de șablon nu depinde de factotul de umplere al structurii ca în tehnologia vectorială, ci numai de suprafața totală a desenului. Principalele caracteristici ale sistemului de scriere directă cu fascicul laser sunt:
toate componentele optice rămân fixe, asigurând o calitate înaltă a expunerii;
sistemul optic este proiectat pentru lungimea de undă a sursei laser;
lentilele sunt tratate cu un strat antireflex, pentru a minimiza reflexia și transparenta;
oglinzile sunt realizate din materiale dielectrice pentru a minimiza pierderile de energie;
modulatorul acusto-optic (AOM) controlează intensitatea fasciculului și modulează fasciculul în timpul unei expuneri;
deflectorul acustico-optic (AOD) mărește viteza de expunere prin realizarea unei scanări rapide a razei laser în direcția x, în timp ce masă se deplasează în direcția y.
Procesul de depunere galvanică
La pasul trei al tehnologiei LIGA are loc „umplerea” spațiilor lăsate pe suport după developare prin depuneri galvanice. Pentru realizarea de microstructuri, cele mai potrivite elemente sunt: Ni, Cu, Ag, Au.
Printre procesele electrochimice cu un impact considerabil asupra dezvoltărilor din zona microcomponentelor/microsistemelor se numără electrodepunerea și electroformarea (procese catodice). Proces electrochimic similar electrodepunerii, dar oferind o gamă diferită de aplicații, electroformarea conduce la producerea sau reproducerea unor anumite obiecte/forme prin depunere pe o matriță/tipar, care permite ulterior separarea, prin detașarea de suport. Datorită faptului că depunerea electrochimică este un proces care are loc la scara atomică/moleculară, stratul metalic format preia în totalitate forma tridimensională a suportului, cu o foarte bună precizie, de ordin micronic sau submicronic.
În cadrul tehnologiei LIGA, etapele de depunere a straturilor metalie constituie o parte importantă a procesului deoarece calitatea depunerilor (galvanice și/sau chimice)determină calitatea produsului finit. Parametrii care influențează procesul de electrodepunere sunt prezentați în fig. 6.11.
Fig. 6.11 Elementele care influențează electrodepunerea [46]
Pentru microstructuri grosimea stratului depus depășește 10μm și poate atinge 1000 μm, când are loc un proces de electroformare. Datorită tensiunilor interne care apar în procesul de depunere, există un număr limitat de metale și aliaje care pot fi electrodepuse pentru a forma microstructuri, Ni numărându-se printre acestea. Instalație pentru îndepărtarea selectivă a fotorezistului SU8 expus:
La pasul 5 al tehnologiei LIGA are loc îndepărtarea fotorezistului expus și a substratului. Obținerea structurilor micromecanice prin tehnologie LIGA presupune un substrat pe care se depune fotorezist SU8 cu grosime constantă, fotorezist ce se expune, este copt, developat și înlăturat selectiv [43]. După developare, ansamblul suport constituie un electrod pentru realizarea depunerii galvanice. După depunerea galvanică trebuie înlăturat stratul de SU8 expus, în scopul extragerii reperelor de pe suport.
Obținerea reperelor micromecanice [47] presupune că de pe ansamblul din figura 1.9 să se înlăture fotorezistul expus [45] și să se separe reperele de substatul de siliciu aurit (1+2).
Principiul de îndepărtare a fotorezistului expus:
Fotorezistul SU8 este un material epoxi cu legături foarte puternice, ce poate fi folosit și că structură finală (permanentă). Dizolvarea stratului de SU8 nu este posibilă prin procedee chimice umede, nefiind descoperită o metodă de atac cu viteze rezonabile ale fotorezistului fără a afecta metalele electrodepuse. Au fost încercate plasme cu mai multe gaze, dar natura unei plasme (ioni cu energie ridicată) încălzește ansamblul suport cu microstructuri și SU8 expus ducând la degradarea structurilor .
Soluția găsită, a fost de a utiliza radicali liberi în loc de ioni, unde radicalii corodează C și N din rețeaua epoxi a SU8 prin formarea N2O și CO/CO2. Este utilizată plasma pentru generarea radicalilor, iar pentru separarea ionilor încărcați de radicalii neutri este utilizată o construcție specială a incintei. Procesul este controlat pentru a nu supraîncălzi structurile.
Echipamentul folosit pentru îndepărtarea fotorezistului SU8 a fost STP2020,compus din cameră de vid (cu pompă de vid externă), sistem de reglare a temperaturii, magnetron și pachet software de programare a proceselor și urmărire a datelor.[43]
Sistemul poate fi folosit pentru îndepărtarea straturilor groase (sute de micrometri) de fotorezist SU8 dar și pentru straturi subțiri de Și și SiO2, Și3N4 (cu o rată de 1-5nm/min). Sistemul folosește o sursă de plasmă “îndepărtată” de zona substratului, folosind un magnetron de 2000W, răcit cu apă, garantând o disociere eficientă a gazelor și o solicitare termică redusă a substraturilor.
Fig. 6.13 Îndepărtarea fotorezistului SU8 folosind radicalii liberi. [43]
Corodarea chimică uscată, fără agresarea prin ioni a probei ce urmează a fi corodata, realizează o înlăturare blândă și controlată, cu selectivitate ridicată (tipic 500:1). Metalele (Ni, Ni/Fe, Au, Cu, etc.) nu sunt atacate. Ratele de corodare pentru SU8 sunt în funcție de suprafața fotorezistului, de geometrie și de dimensiunea structurilor și pot atinge 200 µm/h. [51] Generatorul de microunde se pornește la o presiune de aproximativ 0,5 torr, cu gaze de proces, pentru a produce plasmă în incinta ceramică. Gazele (O2, CF4) vor fi ionizate și disociate. Ionii se vor recombina cu electronii în interiorul generatorului, pe când radicalii de oxigen și de fluor, având o durată mare de viața – de aproximativ o secundă, se vor îndrepta către probele aflate pe placa de lucru. Radicalii reacționează cu componantele organice ale SU8, rezultând în principal CO2, dar și cantități de H2O și acid fluorhidric (HF). Aceste produse corozive sunt volatile și sunt absorbite continuu de către pompa de vid.
Echipamentul folosește o pompă moleculară de vid externă tip Adixen A 300 ce asigură a viteză de pompare de până la 320 m3/h, putând asigura presiunea minimă de 120mbar, necesitând un consum de apă de răcire de min. 100 l/h. Principalele caracteristici ale sistemului de scriere direct cu fascicul laser sunt:
toate componentele optice rămân fixe, asigurând o calitate înaltă a expunerii;
sistemul optic este proiectat pentru lungimea de undă a sursei laser;
lentilele sunt tratate cu un strat antireflex, pentru a minimiza reflexia și a maximiza transparență;
oglinzile sunt realizate din materiale dielectrice pentru a minimiza pierderile de energie;
modulatorul acusto-optic (AOM) controlează intensitatea fasciculului și modulează fasciculul în timpul unei expuneri;
deflectorul acustico-optic (AOD) mărește viteza de “prelucrare” prin realizarea unei scanări rapide a razei laser în direcția x, în timp ce masă se deplasează în direcția y. [53]:
Din figura de mai jos, putem urmări principiul de expunere a lui DWL 66FS. Modulatorul AOM modulează intensitatea fasciculului laser în timp ce deflectorul AOD realizează o baleere rapidă a fasciculului, perpendicular pe substratul aflat în mișcare. În acest fel liniile sunt expuse pe substrat având lățimea unei scanări. Prin alăturarea de mai multe linii, este expus întregul substrat.
Fig. 6.14 Sistem optic pentru litografie laser [53]
Dispozitivul deflector acusto optic generează o scanare cu laser rapidă, cu o rată de baleiaj de aproximativ 40 kHz. Unghiul de scanare este vizualizat în planul focal posterior al lentilelor de scriere rezultând un aranjament de scanare telecentric, astfel încât fasciculul laser este întotdeauna perpendicular pe substrat.
Pentru a înlătura inconveniantele că apar datorită stabilității termice sistemul DWL 66FS este prevăzut cu camera propie termostatata că poate asigura o stabilitate de +/- 0,10 C, dacă incinta exterioară asigura o stabilitate de +/- 10C .
Sistemul de litografie laser tip DWL66FS este un sistem modular cu diodă laser. Toptica de 18mW și 375nm lungime de undă (UV) și cu cap de scriere de 4 mm. Lungimea de undă a fost aleasă pentru a putea lucra cu fotorezistul SU8, ce permite grosimi de strat de până la 1mm, specific producției de piese micromecanice. Sistemul poate fi utilizat cu sau fără filtre Gray (s-au achizionat filtrele 0.1%, 1%, 5%, 12%, 25%, 50%). Caracteristicile capului de scriere de 4 mm sunt [53]:
dimensiune pixel: 200nm;
lățime de scanare: 20μm (100 pixeli);
dimensiune minimă a structurii: 1µm;
viteză de scriere: 5.7 [mm²/min];
acuratețea alinierii: 250nm;
masa x-y are zona utilă de 200mm x 200mm.
Capul de scriere de 4 mm constituie un bun compromis între precizie și viteza de scriere. Sistemul poate fi folosit și cu alte capete, pentru o precizie ridicată (cap de scriere de 2 mm, cu dimensiunea minimă a structurii de 0,6µm dar cu viteză de scriere de 1,5 [mm²/min]) sau pentru viteză mare de scriere (cap de scriere de 40mm, cu viteza de scriere de 416 [mm²/min] dar cu dimensiunea minimă a structurii de 10µm [53].
Energia maximă de 18 mW folosită pentru expunere poate fi ponderta cu ajutorul unui sistem de filtre optice (gray) și a unor ajustări software a energiei furnizate ca procent din energia maximă furnizată (în zece trepte, de la 10 la 100%). Se obțin astfel 110 trepte de energie, ca în tabelul 6.1.
Utilizarea filtrării software și “Gray” [54]
Tabel 6.1
Transferul desenului reperelor micromecanice pe support folosind proiectarea asistată CAD/CAM. Aplicații pentru forme geometrice simple 2D și 3D.
Sistemul de litografie Laser tip DWL66FS utilizează pentru conversie, transfer, comandă și monitorizare 3 sisteme de calcul și unul sau mai multe sisteme (neincluse) pentru realizarea desenelor în format cif, dxf, gerber, gdsii, hpgl. Formatul dxf are rolul de bază deoarece utilizarea funcției “Gray Scale” se poate face doar folosind acest format. Sistemul de fișiere trebuie să fie compatibil multisistem, fără caractere speciale în denumire [54], figura de mai jos:
Fig. 6.15 Transferul desenului pe suport – schema de principiu [55]
Cele 3 sisteme de calcul ce fac parte integrantă din sistemul de litografie laser au roluri distincte, fiecare sistem lucrând sub alt sistem de operare. Astfel sistemul de conversie (Convert) are rolul de a transforma desenul în format LIC și de a transmite acest fișier calculatorului de proces având drept sistem de operare un sistem LINUX (OpenSUSE 11.0). Sistemul utilizator (User) are rolul de a realiza fișierele de comenzi, de a monitoriza procesul și de a transfera comenzile operatorului calculatorului de proces având drept sistem de operare Windows Professional XP. Calculatorul de proces este un sistem la care operatorul nu are acces direct, el realizând conversia în timp real a fișierului LIC în matrice de pixeli și de a face toate setările și a da toate comenzile de proces conform fișierelor JOB și MAP transmise de operator, având drept sistem de operare OS9 [56]. În ceea ce privește găsirea de soluții de realizare a micromagnetilor și de control al proprietăților acestora, soluții constructive de actuatori electromagnetici și electrodinamici (cu accent pe dezvoltarea unor tehnologii de realizare a microbobinelor), soluții de manipulare și asamblare a componentelor micromecanice (realizarea a 3 sisteme de test pentru fiecare problemă), caracterizarea proprietăților de material ale structurilor realizate prin SU-8 (trei structuri de test).Actuatorii vor avea un unghi de deflexie de +10o, iar bobinele vor avea o suprafață utilă de 400 μm2.
Rezultate experimentale:
Realizarea structurilor micromecanice pe suport presupune, după întocmirea proiectului de execuție al pieselor , efectuarea următoarelor operații:
realizarea desenului piesei dorite într-un format acceptat de sistemul de fotolitrografie DWL66 FS (DXF, CIF, Gerber, GDSII);
conversia desenului în format LIC (matrice de puncte) și realizarea fișierului MAP (harta de așezare a structurilor micromecanice pe suport);
stabilirea parametrilor de expunere (realizarea fișierului JOB);
expunerea propiuzisă în instalația de fotolitografie DWL66 FS;
coacerea postexpunere;
developarea fotorezistului SU8 neexpus și uscarea;
depunerea galvanică a stratului metalic;
îndepărtarea selectivă a fotorezistului SU8 expus;
extragerea reperelor de pe suport.
Pentru operațiile de la punctele a), b) și d) cunoașterea în amănunt a pachetelor software și a instalației a fost suficientă pentru derularea în bune condiții a proceselor. Pentru celelalte operații experimentarea și optimizarea în condițiile concrete de derulare a proceselor și cu echipamentele existente în cadrul laboratorului a fost necesară pentru atingerea obiectivelor propuse.
Având în vedere cele cele de mai sus, s-a impus optimizarea proceselor de expunere, coacere, developare și depunere galvanică. De asemenea a fost acordată o mare atenție proceselor de îndepărtare selectivă a fotorezistului SU8 și metodei de extragere a reperelor de pe suport. Procesele de expunere, coacere și developare s-au desfășurat în incinte cu lumină galbenă pentru a evita expunerea nedorită a fotorezistului SU8.
S-a realizat desenul piesei dorite într-un format acceptat de sistemul de fotolitrografie DWL66 FS (CIF), după care s-a făcut conversia în format LIC, acceptat de sistemul de litografiere.
Reprezentarea unei structuri de microbobina, desene ce au fost create respectând regulile menționate în subcapitolul anterior, fig. 6.16, 6.17:
Fig. 6.16 Structură de microbobină, 40μm lățimea spirei, 400 μm x 400 μm dimensiune; reprezentare pentru conversie în format LIC [43]
Fig. 6.17 Spirală, 20μm grosime; reprezentare pentru conversie în format LIC [43]
Expunerea desenelor; realizarea fișierului MAP și a fișierului JOB. Pentru a realiza expunerea desenelor, folosind sistemul de litografie DWL 66FS este s-au configurat doua fișiere:
fișierul MAP, care conține un număr de câmpuri de dimensiune egală ce formează o hartă în care se plasează fișiere LIC (desenele pieselor) ,
fișierul JOB, care conține denumirea și calea fiecărui fișier LIC ce urmează a fi expus (DESIGN), energia cu care se face expunerea exprimată procentual (ENERGY), focalizarea exprimată ca o valoare numerică între 0 și 4095 (DEFOC) și comanda de realizare a expunerii (DO=-1) sau doar configurare (DO≠-1).
După configurarea fișierului MAP, acesta poate fi vizualizat grafic, arătând ca în figura de mai sus. Această hartă conține 25 de câmpuri, cu câmpul 13 definit drept câmp central al plachetei, ceea ce înseamnă că se vor executa 25 de piese pe plăcuța suport.
Fig. 6.18 Configurarea MAP în linie de comandă [43]
După configurarea fișierelor MAP și JOB pașii ce trebuie urmație pentru realizarea efectivă a expunerii sunt [43]:
încărcarea sistemului, prin plasarea plachetei cu fotorezist ce urmează a fi expusă pe masa mașinii și prinderea acesteia cu sistemul de vacuum;
focalizarea, prin comanda FOCUS și urmărirea apariției imaginii clare pe una din cele două camere de monitorizare a plachetei;
găsirea automată a centrului plachetei și alinierea manuală sau automată, în funcție de aplicație;
expunere;
descărcarea sistemului, prin scoaterea plachetei ce a fost expuse de pe masa mașinii.
Dacă după această operație nu urmează o altă expunere este necesar să se bifeze opțiunea “Laser off” pentru a nu menține laserul pornit, acest element avânt un timp limitat de viață (aproximativ 5000 ore).
Pe toată perioada de pregătire, realizarea efectivă a expunerii și descărcare operatorul are acces la sistemul de fotolitografie prin intermediul “DWL Control Panel”, interfață ce permite realizarea de mișcări ale mesei X-Y, focalizări și vizualizări cu ajutorul uneia dintre camere MicroCam sau MacroCam.
Metoda de coacere postexpunere
Coacerea este procesul prin care structurile expuse sunt stabilizate pentru a împiedica migrarea sau deformarea lor în timpul developării. Coacerea se poate face cu placheta în contact cu plita termostatată sau în etuvă cu convecție forțată. Pentru coacerea pe plită termostatată se recomandă o coacere în două etape, PE1 și PE2. Aceste coaceri sunt denumite coaceri postexpunere. Temperaturile recomandate pentru coacere sunt 65șC pentru PE1 și 95șC pentru PE2 [43]. În ceea ce privește timpul de coacere literatura de specialitate furnizează valori diferite.
Astfel pentru fotorezist SU8 de100μm grosime [50] recomandă 3min. pentru PE1 și 10min. pentru PE2 cu răcire controlată (rampă de 2-4ș/min) iar [52] 9 recomandă 1 min. pentru PE1 și 10min. pentru PE2 cu răcire liberă, fără ventilație. Producătorul fotorezistului recomandă pentru fiecare formulă timpi diferiți pe clase de grosimi dar nu precizează rampa cu care se face creșterea și descreșterea temperaturii. Lucrările ce prezintă realizări practice folosesc timpi sau temperaturi diferite și omit să precizeze formula de SU8 utilizată. Experimentările au fost făcute pe SU8 50 pentru grosimile de 100µm.Coacerile au fost făcute astfel:
rampa 65șC- 95șC: pe plita termostatată FALC MOD F 70, variind panta de creștere sau prin trecere directă în etuvă;
PE2: în etuva cu convecție forțată Binder FD70, pe suport metalic cu inerție termică ridicată;
răcirea: la temperatura camerei sau în etuva cu convecție forțată Binder FD70.
Metoda de Developare
Developarea fotorezistului SU8 s-a realizat prin imersie în solvent tip mr-Dev 600, producătorul recomandând un timp de 6-30min în funcție de grosimea fotorezistului. Acest timp este orientativ, depinzând de gradul de disoluție, de temperatură, de agitație dar și de parametri de proces ai expunerii. Au fost făcute experimentări variind acest timp, dar și experimentări cu intercalarea unor clătiri în 2-propanol (ICAO: isopropanol) pentru a înlătura fotorezistul din canalele de mici dimensiuni.
Temperatura de developare a fost temperatura camerei (21-25șC), experimentându-se developări fără agitarea developantului, cu agitare puternică și variante intermediare. S-au executat developări imediat după ce proba a ajuns la temperatura camerei sau după scurgerea unui timp de relaxare a structurilor de 3-48 ore.
Clătirea finală s-a realizat cu 2-propanol și uscarea s-a făcut cu jet de aer comprimat sau convecție naturală.
Rezultate practice pentru piesele expuse, folosind fotorezistul SU8
Toate probele au fost făcute pe plachete de Si (100) dopat n, cu diametrul de 4”, oxidat pe 500nm (SiO2), cu o depunere de Cr/Au ca bază, cu fotorezist SU8 depus în strat de grosime constantă, furnizate de firma Microresist Technology. Conform fișei de măsurători ce a însoțit plachetele grosimea fotorezistului a fost de 96 μm pentru probele 1-4 și 98 μm pentru probele 5-12. S-au realizat teste de transfer pentru un pinion cu 10 dinți și unul cu 5 dinți.
În scopul obținerii valorilor optime pentru parametrii procesului tehnologic de coacere postexpunere și developare s-a testat obținerea de structuri din fotorezist SU8 pentru diverse valori ale parametrilor implicați în proces. Abordarea a urmat un curs logic, variind de fiecare dată un singur parametru de proces. După stabilirea valorii optime pentru parametrul testat s-a trecut la optimizarea următorului parametru, procedeul continuând până la epuizarea tuturor variabilelor controlabile.
Pentru realizarea expunerii, coacerii și developării s-au optimizat următorii parametri pentru grosimile de 100 µm, de fotorezist SU8:
tipul de filtru GRAY folosit: FF (fără filtru), 50% și 25%;
parametrul software ENERGY (procent din energia maximă folosit pentru expunere): 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100;
parametrul software de corecție a focalizării DEFOC (ajustare fină a distanței dintre capul de scriere și substrat): 2000-4000 brut în pași de 200 și apoi fin în zona cu rezultate bune în pași de 50 pentru optimizare;
temperatura și timpul de coacere PE1: 1-5 min. la temperatura de 60șC sau 65șC,
timpul pentru creșterea în rampă între PE1 și PE2: 0-3 min;
temperatura și timpul de coacere PE2: 7-25 min. la temperatura de 90șC sau 95șC,
tipul și timpul răcirii până la temperatura ambiantă;
timpul de relaxare a structurilor: 0-48 ore;
timpul și modul de developare: 7 min-75 min, cu și fără agitare;
tipul uscării: natural sau prin convecție forțată (jet de aer).
Rezultatele optimizării
Valorile parametrilor de proces optimizați, au fost următoarele: pentru fotorezist SU8-50, 100 µm grosime:
tipul de filtru GRAY folosit: 50%;
parametrul software ENERGY (procent din energia maximă folosită la expunere): 80;
parametrul software de corecție a focalizării DEFOC: 3450;
temperatura și timpul de coacere PE1: 65șC, 3 min;
timpul pentru creșterea în rampă între PE1 și PE2: 90 sec;
temperatura și timpul de coacere PE2: 95șC, 10 min;
tipul și timpul răcirii până la temperatura ambiantă: în etuvă, 30 min;
timpul de relaxare a structurilor: 3 ore;
timpul și modul de developare: 14min, cu agitare ușoară;
tipul uscării: natural (fără convecție forțată).
Rezultate practice pentru realizarea piesei 2D folosind fotorezistul SU8
Toate probele au fost făcute pe plachete de Si (100) dopat n, cu diametrul de 4”, oxidat pe 500nm (SiO2), cu o depunere de Cr/Au ca bază, cu fotorezist SU8 [57] depus în strat de grosime constantă furnizate de Microresist Technology [56]. Conform fișei de măsurători ce a însoțit plachetele grosimea fotorezistului a fost de 96 μm pentru probele 1-4 și 98 μm pentru probele 5-12.
Fig. 6.20 Detaliu cu structură aparent corect realizată, dar care are spire de dimensiuni mărite datorită unei supraexpuneri. Structură realizată cu agitarea energică a developantului și timp de relaxare de 6 ore (grosime fotorezist SU8 = 100 µm). [58]
Fig. 6.21 Detaliu cu structură cu spire rupte datorită agitării developantului, structura fiind subexpusa [58]
Fig. 6.22 Structuri corect expuse, coapte și developate, fără crăpături, exfolieri și deformări dar cu urme departicule străine (praf) [58]
Fig. 6.23 Detaliu cu structuri corect expuse, coapte și developate [58]
Imaginile din figurile, 6.21, 6.22, 6.23 au fost realizate cu microscopul ZEISS Stemi 2000C reprezentând structuri obținute în cursul procesului de optimizare parametri pentru coacere postexpunere și developare [58].
a) b)
c) d)
Fig. 6.24 Microbobină înainte, în timpul și după procesul de îndepărtare a fotorezistului SU8
SU8 neîndepărtat; b) SU8 parțial îndepărtat; c) SU8 parțial îndepărtat – detaliu d) SU8 îndepărtat – detaliu [58]
Depunerea galvanică
S-a depus Ni în cavități de SU8 cu grosime de 100 µm, folosind o instalație realizată în conformitate cu figura 6.20. Parametrii care contribuie la obținerea depunerilor și care au fost controlați se împart în două categorii:
parametri care contribuie la realizarea depunerilor: concentrațiile sărurilor și a substanței tampon, prezența aditivilor, pH-ul și temperatura băii;
parametri care afectează uniformitatea și calitatea depunerii: densitatea de curent și modul de aplicare, geometria și configurația băii și viteza de agitare a băii.
S-au realizat depuneri a Ni pe substraturi de Si monocristalin aurit atât din băi Watts cât și tip sulfamat. S-a utilizat un electrolit cu următoarea compoziție:
Tabelul 6.2.
Pentru limitarea difuziei și creșterea densității de curent s-a realizat convecția electrolitului prin agitarea sa cu un agitator magnetic.Valoarea pH-ului s-a reglat cu acid amidosulfonic. Suprafața substraturilor a fost pregătită în prealabil prin următoarele secvențe:
degresare în solvenți organici (acetona, alcool etilic), T=25-30oC, timp de imersare cca 120 sec. Decapare/dezoxidare chimică în HNO3 1:1 (vol.),T=25-30oC; timp de imersare 30-60 s. Între cele două secvențe proba a fost clătită și uscată.
S-au realizat depuneri cu grosimi de cca: 30 μm, 80 μm, 100 μm, la densități de curent cuprinse între 2,5 și 5 A/dm2 și la durate de timp cuprins între 1 și 5 ore. Rezultatele au fost sintetizate în tabelul 6.3.
Tabelul 6.3
Îndepărtarea selectivă a fotorezistului SU8 expus
Îndepărtarea fotorezistului SU8 expus în instalația STP2020 presupune următoarele operații:
încărcarea sistemului cu 1-5 plăcuțe cu dimensiunea maximă de 6”;
vidarea incintei de lucru (tipic 60mTorr);
încălzirea controlată a plăcuțelor la temperatura prescrisă;
introducerea în incintă a gazelor de lucru (O2, CF4 și N2) cu debite prescrise;
pornirea magnetronului la o putere prescrisă și obținerea plasmei (a radicalilor liberi în incinta de lucru);
menținerea pornită pentru un timp determinat (funcție de grosimea stratului de SU8, de nr. de plăcuțe, de gradul de umplere cu SU8, de parametrii setați, de calitatea substratului) a magnetronului și a debitelor de gaze prescrise. Monitorizarea temperaturii plăcuțelor;
oprirea gazelor CF4 și N2, menținând magnetronul pornit și debitul de O2;
oprirea magnetronului și vidarea incintei;
introducerea de aer la presiunea atmosferică și vidarea incintei de 3-5 ori pentru evacuarea tuturor compușilor toxici (HF și alți compuși pe bază de fluor);
scoaterea și analizarea plăcuțelor.
De aici au rezultat parametrii de lucru necesari a fi stabiliți:
debitele pentru gazele de proces – O2, CF4 și N2, măsurate în sccm (Standard Cubic Centimeters per Minute – centimetri cub standard pe minut);
temperatura de încălzire a substratului (max. 100° C);
puterea magnetronului (max. 2000W);
timpul de lucru cu toate gâzele pornite și timpul de lucru cu O2 pornit;
numărul de umpleri cu aer și evacuări ale incintei de lucru.
Principalele produse de reacție rezultate sunt: CO, CO2, N2O, H2O și HF. Reacțiile în interiorul sursei (unde se creează plasma) sunt:
O2 + e- <=> O2+ + 2e-;
CF4 + e- <=> CF3 + F* + e-;
O2 + e- <=> 2O* + e-;
CF4 + e- <=> CF3 + + F* + 2e-.
Abordările teoretice ale procesului de îndepărtare folosind radicalii liberi subliniază că ratele de îndepărtare ale fotorezistului SU8 expus inseplinesc următoarele condiții:
la debite constante ale gazelor de proces – O2, CF4 și N2 – depind liniar de puterea magnetronului până la intrarea în zona de saturație;
la putere constantă a magnetronului depind liniar de debitul O2 și CF4 până la intrarea în zona de saturație;
la temperatura substratului sub 50°C sunt reduse;
la debite ale CF4 peste 10% din debitul O2 nu se modifică rata de îndepărtare.
Rezultate practice privind îndepărtarea fotorezistului expus
În cadrul experimentărilor practice, pentru determinarea parametrilor de lucru s-au introdus probe standard, cu grosimea fotorezistului de 6,22 µm și aria de 300 mm2, cu fotorezistul expus pe toată suprafața precum și probe de diverse dimensiuni, cu structuri din nichel și cu grosimi ale fotorezistului de până la 100 µm.
Funcționarea echipamentului STP2020 se poate face în mod manual sau semiautomat. În modul manual toate operațiile sunt comandate de operator, timpii dintre oparații fiind cei până la o nouă comandă introdusă.
Pentru plăcuțe de test, cu SU8 expus pe toată suprafața, de 300 mm2, s-a constatat că acest mod de lucru este potrivit deoarece reacțiile dintre radicalii liberi și fotorezist sunt vizibile sub forma unei zone luminate pe suprafața plachetei, timpul cât trebuie menținută plasma putând fi stabilit vizual.
Pentru plăcuțele cu structuri depuse electrochimic s-a constatat că modul de lucru manual nu poate fi folosit eficient deoarece după îndepărtarea parțiala a fotorezistului lumina caracteristică zonei în care au loc reacții se scufundă în cavitate și nu poate fi observată de operator.
Modul de lucru semiautomat presupune încărcarea plăcuțelor în incintă, încărcarea programului corespunzător, pornirea pompei de vid și apoi pornirea aplicației, instalația funcționând în continuare automat. Pentru scrierea și transferul pe echipament a programelor se folosește aplicația software R3T-FMGT iar pentru vizualizarea rezultatelor aplicația EPView.
S-au utilizat 3 nivele de putere pentru magnetron: 800W, 1000W și 1200W. Temperaturile pentru substrat au fost testate în zona 50-65°C. Debitul de O2 a fost de 800 sccm, 1000 sccm și 1200 sccm, în corespondență cu puterea magnetronului. S-au făcut experimentări cu o plăcută și cu 5 plăcuțe introduse simultan în instalație. Nu au fost disponibile 5 plăcuțe cu structuri identice pentru a putea optimiza un proces de serie mare, dar diferențele dintre diferitele plăcuțe cu structuri (grad de umplere a plăcuței, aria cea mai mare a unei zone cu SU8 expus, dimensiunea minimă a structurilor depuse) nu pot influența tendința și valorile tipice ale parametrilor de lucru.
O observație importantă în îndepărtarea fotorezistului SU8 este locul în care au loc reacțiile: la suprafața liberă și în imediata apropiere a structurilor de nichel. Acest lucru duce la o îndepărtare mai rapidă a fotorezitului SU8 din zonele (canalele) înguste decât din zonele cu arie mare de fotorezist.
O metodă sigură de determinare practică a momentului când fotorezitul este total îndepărtat, aplicabilă pentru plăcuțe de dimensiuni diferite și cu grade diferite de umplere, este monitorizarea temperaturii plăcuței. Reacțiile care au loc în procesul de îndepărtare a fotorezistului SU8 duc la o ușoară creștere a temperaturii ce vor fi compensate de echipament, încetarea reacțiilor ducând la o scădere ușoară a temperaturii până ce bucla de reacție a echipamentului face compensarea. Aceste variații de temperatură de 0,2°C … 0,4°C sunt un indiciu sigur pentru setarea parametrilor de lucru.
Fig. 6.25 Determinarea încheierii procesului de înlăturare a SU8 prin monitorizarea temperaturii pe plăcuțe [43]
Temperatura substratului este un parametru cu influiență majoră asupra ratei de îndepărtare. Mecanismul preponderent de transmitere a căldurii de la masa termostatată la substratul cu structuri fiind conducția termică (convecția termică este limitată datorită presiunii reduse din incintă în timpul procesului) planeitatea substratului are o influiență majoră asupra ratei de îndepărtare.
În urma experimentărilor prezentate s-au obținut următoarele rezultate:
temperatura optimă pentru substrat 60°C, (Temperaturi mai mici de 60°C duc la rate de îndepărtare reduse, iar la aproximativ 65°C se produce o ușoară înmuiere a fotorezistului ceea ce poate duce la migrarea sau distrugerea structurilor fine din nichel);
puterea magnetronului pentru o singură plăcută – 800W, pentru 5 plăcuțe în incintă 1200W;
debitele gazelor de lucru de 70 sccm pentru CF4 și N2 la 800…1000 sccm pentru O2 și de 80 sccm pentru CF4 și N2 la 1200 sccm pentru O2;
rata de îndepărtare a fotorezistului SU8 între 3,1µm/min. la plăcuțele cu strat subțire de fotorezist (fără structuri prezente) și 2µm/min. la 5 plăcuțe cu structuri prezente și grosimi de până la 100 µm încărcate simultan în echipament.
Extragerea reperelor utile din ansamblu
Extragerea reperelor utile din ansamblu (separarea pieselor de substrat) constituie etapa finală a unui proces LIGA. Principalele metode de extragere sunt extragerea mecanică prin care pisele sunt separate de substrat prin forțe aplicate la zona de contact dintre piesa de nichel și stratul de aur și extragerea chimică în care substratul de Și este atacat (înlăturat) chimic.
Extragerea mecanică a reperelor
Extragerea mecanică a reperelor este o metodă ce poate fi aplicată pentru serii mici și medii și pentru structuri mecanice robuste (structuri de nichel care să poată fi manipulate de operator sub microscopul de atelier – structuri de peste 50 µm grosime, cu arii care să depășească 0,1 mm2). Metoda presupune folosirea unor lame și a unor pensete de mici dimensiuni pentru separarea și manipularea reperelor. Un avantaj major al metodei este dat de faptul că substratul se recuperează, putând fi refolosit. Un alt avantaj este posibilitatea de extragere selectivă, piese de aceeași grosime (obținute în același proces tehnologic) putând fi obținute pe aceeași plachetă, chiar dacă pentru unele este nevoie de extragere (roți dințate) iar altele trebuie să rămână pe substrat (carcasă, ax).
Extragerea chimică a reperelor
Extragerea chimică a reperelor este o metodă care se pretează atât pentru serii mici / medii cât și pentru serii mari. Metoda presupune înlăturarea chimică a substratului (dizolvarea substratului), fără a afecta structurile metalice. Metoda se poate aplica și structurilor extrem de fragile.
Siliciul monocristalin poate fi îndepărtat anizotropic de către substanțe puternic alcaline (pH > 12) cum ar fi soluții de KOH- sau NaOH-, mecanismul fiind:
Si +4OH- –> Și(OH)4+4e-.
Din acest motiv substratul folosit pentru realizarea structurilor micromecanice poate fi Si (100) sau Si (110) dar în nici un caz Si cu orientarea cristalografică (111), orientare ce practic nu poate fi înlăturată prin atacare cu KOH (rate de îndepărtare de 300…600 ori mai mici). Folosirea KOH pentru îndepărtarea Și monocristalin prezintă și avantajul unor rate foarte mici în îndepărtarea SiO2 (<14Å/min) sau a Si3N4(<1Å/min).
Folosirea KOH pentru înlăturarea anizotropică a Si prezintă posibilitatea utilizării acestuia în relizarea de senzori:
structuri piramidale cu baza pătrat la Si (100);
microcanale cu pereți drepți la Si (110).
Rezultate practice privind extragerea reperelor utile din ansamblu
Extragerea mecanică a reperelor s-a efectuat cu lame ascuțite și micropensete, operațiunile desfășurându-se sub microscopul de atelier Stemi 2000C (max. 50X).
Extragerea chimică a reperelor s-a făcut în soluție de KOH 50%. Probele au fost făcute la temperaturi între 50°C și 90°C. La temperaturi de aproximativ 50°C rata de îndepărtare a Si este extrem de mică, la 90°C Și (100) de aproximativ 525µm grosime fiind total îndepărtat după aproximativ 6 ore, ceea ce duce la o rată de 1,45µm/min, rată ce corespunde cu referințele bibliografice [46].
Fig. 6.26 Microstructuri de test în cursul procesului de extragere mecanică de pe substrat [43]
Determinarea preciziei dimensionale a reperelor
Execuția reperelor micromecanice presupune realizarea de repere cu încadrarea în abaterile stabilite în proiect.
Determinarea preciziilor dimensionale cu care se execută un reper presupune determinări prin care se stabilește precizia de execuție a măștilor și tiparelor din fotorezist (calitatea expunerilor, repetabilitate, distanța minimă între linii, dimensiunea minimă a liniilor, rata de aspect repetabilă prin procesul implementat)- determinări ce se excută cu camerele video și cu pachetele software ale sistemului DWL66Fs și determinări ale dimensiunilor elementelor finite – determinări ce se fac prin microscopie optică și SEM.
Pentru determinărea preciziei de execuție a reperelor mecanice și a sistemelor s-a folosit microscopia optică și SEM pe repere finite și semifinite (nedesprinse de substrat, fără fotorezistul SU8 înlăturat total).
Calitatea pieselor obținute a fost determinată de:
procesul de expunere a structurilor;
procesul de coacere a fotorezistului SU8;
procesul de developare a fotorezistului SU8;
procesul galvanic de creștere (îngroșare) a stratului metalic.
Se prezintă în continuare diverse exemple de repere cu valorile măsurare și cele proiectate.
Fig. 6.27 Imagini reprezentând un canal și o microstructură corect executate [60] Detaliu cu canal corect executat dimensional (30,76µm măsurat, 30µm proiectat). Microscopie SEM 1180x [43]
În ceea ce privește rata de aspect (rapotul între lățimea celui mai îngust canal și înălțimea stratului de fotorezist) precizia de excuție a reperelor este puternic influiențată de acesta. Pentru rate sub 3:1 precizia este foarte bună, cu erori de ordinul micronilor. Pentru rate de aspect peste 5:1 precizia și repetabilitatea proceselor este afectată, rezultatele fiind considerate nesatisfăcătoare.
Se poate conchide că până la o rată de 4:1 rezultatele sunt bune, procesele sunt bine caracterizate și repetabile, proiectele care se bazează pe această rată fiind realizabile în toleranțele impuse. Pentru a stabili dacă microreperele executate pot fi folosite drept repere mecanice finite s-au făcut încercări pentru a determina elementele ce intră în componența depunerii, faza cristalină și planul cristalografic al nichelului depus precum și duritatea Vickers. Toate valorile măsurate recomanda folosirea fără probleme a reperelor executate. Determinarea calitativă de faza s-a executat prin difracție de raxe X, cu un dufractometru de raze X Brukner-AXS tip D8 ADVANCE.
Măsurarea durității a fost făcută pe un microdurimetru tip FM Vickers, seria XMO 195. Valoarea durității măsurate a fost de 334 unități HB.
Realizarea structurilor 3D. Utilizarea opțiunii software “Gray scale exposure mode”
Pentru transferal structurilor 3D modul de lucru este același ca la 2D cu excepția stabilirii nivelului de energie. Astfel Parametrul ENERGY este implicit setat la valoarea 100, operatorul stabilind un număr de până la 32 trepte de energie acestea fiind denumite nivele de intensitate ale scalei de gri. Pentru fiecare treaptă trebuie definit un layer în fișierul DXF. Trebuie subliniat că pentru realizarea de structuri 3D este necesară utilizarea modului de lucru GS sau 10_GS. Modul GS este un mod de lucru fără suprapunerea zonelor expuse, 10_GS fiind un mod de lucru îmbunătățit, cu suprapunerea zonelor expuse pentru înlăturarea efectului de supra sau subexpunere la zonele de contact.
Pentru transferul unei piese 3D s-a trecut la utilizarea de strat subțire de fotorezist AZ (5μm) depus pe substrat de crom (plăcuță furnizată de Heidelberg Instruments). Developarea s-a realizat cu soluție 1:4 AZ351B cu apă distilată timp de 3 min. Corodarea stratului de crom s-a realizat cu CHROME ETCH18 furnizat de firma OrganoSpezialChemie GmbH timp de 60 sec. Îndepărtarea fotorezistului rămas s-a făcut cu developant AZ351B pur iar spălarea cu apă distilată. Utilizarea fotorezistului pozitiv AZ nu necesită coacere și nici îndepărtare cu plasmă a fotorezistului rămas [60].
În fig. 6.28 este prezentata o structură cu piramide, dimensiunea de gabarit a unei piramide avand dimensiunile 800μm x800μm.
În fig. 6.28 se prezintă determinări dimensionale pentru piramidele realizate cu fotorezist pozitiv. Se observă că că nu toate layer-ele din desen au corespondență în structura realizată, reglarea doar din filtrele GRAY neoferind suficintă finețe. Pentru a obține geometrii 3D conform desenelor este nevoie de o limitare în proiectare la 7-8 layer-e, obținând astfel posibilități extinse (până la cele 32 de nivele de intensitate a scalei de gri) de control la expunere.
Fig. 6.29 Determinări dimensionale pentru piramidele realizate cu fotorezist pozitiv AZ[43]
Modul de proiectare tridimensională al microstructurilor
Microlamelele, micropuntile, și microcanalele încorporate sunt trei dintre cele mai întâlnite componente. Având în vedere că transmisibilitatea radiațiilor UV în rezist SU-8, în gama de 320-380 nm este ridicată, este dificil să obținem înălțimi controlate ale canalelor dorite prin expunere parțială, deoarece partea de jos a microcanalului este expusă, de obicei, și de lumina UV reflectată de interfața dintre fotorezist și substrat. Exista totuși o posibilitate de a controla adâncimea de polimerizare a SU-8. Concret, adâncimea de polimerizare poate fi controlată prin cuantificarea puterii laserului în raport cu adâncimea de pătrundere.
În acest scop, a fost propus un model teoretic pentru a cuantifica această dependență. Să considerăm un fascicul laser iradiant perpendicular pe suprafața unuei probe. Așa cum se arată în fig. 6.30, un fascicul laser care trece prin lentila obiectivului capului de scanare nu converge exact într-un singur punct [59]. Diametrul fasciculului a fost măsurat la ± 2 mm față de locul focalizării.
Fig. 6.30. Schema diagramei traseului razei de lumina care trece printr-un specimen SU-8 [60]
S-a constatat că razele de lumina converg la un unghi 1,3° în aer. Conform legii lui Snell, s-a obtinut:
n0 sinθ = n1 sinθ1 (1.1)
unde:
n și θ se referă la indicele de refracție și unghiul de convergență;
indici de 0 și 1 indica aer și respectiv SU-8. În SU-8;
razele de lumină sunt divergente la un unghi θ1 = 0,8°.
Pe măsură ce filmul se abate de la locul focalizării cu o distanță z0, diametrul fasciculului de la adâncimea de penetrare z, poate fi obținut după cum urmează:
d(z)=d0+2z0 tanθ0+2z tanθ1 (1.2)
unde:
d0 este diametrul fasciculului de focalizare.
Distribuția în profunzime a puterii laser este dată de relația:
(3)
unde:
α este coeficientul de absorbție a filmului.
α = 100 cm-1 pentru SU-8 la 355 nm [20].
J0 este puterea laserului în punctul de focalizare.
Este o funcție a curentului pulsator a diodei și a ratei de repatitie a laserului Nd: YAG [19].
În concordanță cu ecuațiile (1.1), (1.2) și (1.3), poate fi obținut profilul puterii laserului în film. Modelul teoretic conduce la următoarele observații. În primul rând, densitatea de putere scade exponențial odată cu creșterea adâncimii de penetrare.
În al doilea rând, puterea laserului la un moment dat în film poate fi modificată prin diferite niveluri de focalizare.
În figura de mai jos se ilustrează distribuția în adâncime a puterii laserului în raport cu diferite ratele de repetiție. Curentul diodei pulsatorie este de 14 A, distanța față de punctul de focalizare este de 1 mm. Figura 6.31 litera (b) ilustrează distribuția în adâncime a puterii laserului raportată la diferite distanțe out-of-focus. Curentul diodei pulsatorie este de 14 A și rata de repetiție este de 30 kHz. Punctele reprezintă pragul de polimerizare al SU-8. Evident, intensitatea scade cu creșterea nivelului out-of-focus. Prin urmare, prelucrarea 3D cu laser este realizabilă prin controlul adâncimii de polimerizare prin reglajul fin al focalizării și a intensității laser.
Fig. 6.32 (a) Distribuția în adâncime a puterii laser în funcție de diferite rate de repetiție.
(b) Distribuția în profunzime a puterii laser în funcție de diferite distanțe de focalizare ( out-of-focus). Linia punctată este un ghid pentru ochi. [60]
Modelarea înclinată
O varietate de forme libere de microstructuri 3D pot fi fabricate folosind expuneri înclinate multi-pas pe material SU-8. În acest caz, probă este montată pe masa x-y-z-θ și supusă unui proces secvențial de scriere cu laser prin rotirea mesei la diferite unghiuri. Un exemplu al procesului de fabricație este: Fabricația începe cu acoperirea unei plăcuțe de siliciu cu SU-8 tip 2050-in grosime de 75 µm, folosind un sistem de centrifugare. Rezistul este apoi copt pe o plită la 65°C timp de 3 min și la 95°C pe o plită fierbinte timp de 9 min. După aceea, eșantionul este montat pe masa x-y-z θ pentru scrierea directă secvențiala cu laser. În urma expunerii, rezistul trece printr-o coacere post-expunere (PEB) pe o plită la 65° C timp de 1 minut și pe o plită de 95°C, timp de 7 min. În cele din urmă, rezistul este developat în developant SU-8, pentru 10-15 minute la temperatura camerei cu agitare ușoară și apoi clătit cu alcool izopropilic[60].
In figura 6.33 este aratata schema instalației de fabricație a microstructurii oblice în două etape, cu capul înclinat al fasciculului de scris cu laser. Un film de SU-8,copt ușor, este supus unei expuneri prin scanarea cu lumina UV inclinata, fără a folosi masca foto. Regiunile expuse de SU-8 sunt reticulate în timpul unui proces de coace post-expunere-și rămân după procesul de developare.
Fig. 6.33 (a) Imagine cu laserul de scris înclinat. (b) Pașii 1-3 arată, în secțiune transversală, procesul de scriere cu laser înclinat: (i) prima scriere laser sub un unghi oblic; (ii) a doua scriere laser din direcția opusă; (iii) microstructuri oblice după developarea SU -8. [60]
Rezultate obținute în microstructuri 3D într-un singur strat
În figură 6.33 sunt arătați pașii de fabricație pentru grinzi de sine stătătoare realizate într-un singur strat. Un strat de SU-8 este întins prin centrifugare pe o plachetă de siliciu sau un suport de sticlă. Filmul de SU-8 este mai întâi poziționat în poziția focală. Rata dozei ridicate a pulsației laserului este apoi aplicată selectiv la postul de microstructuri. La un curent prin dioda de 15A și o rată de repetiție 20 kHz, fotorezistul este complet expus și structura modelata. Apoi masa x-y-z-θ este deplasată de-a lungul axei optice a lumini laser incidente și probă este poziționată într-un plan out-of-focus. Prin urmare, puterea redusă a laserului pulsator a fost aplicată pentru a modela micro-grinzi în același fotorezist. Figura 6.34 prezintă o gamă de console fabricate prin scriere laser, la nivele diferite de focalizare și doze de expunere. Doi parametri sunt reglați pentru fabricarea grinzilor în consola: rată de repetiție (frecvența) laser și distanta de focalizare, out-of-focus.
Curentul diodei pulsatoare laser este fixat la 14 A. Tabelul 6.4 enumeră parametrii de prelucrare cu laser și grosimea grinzilor- consolă fabricate. Bazat pe grosimea grinzilor, puterea pragului pentru polimerizare poate fi calculat din ecuațiile.
Fig. 6.34. Procesul de fabricație pentru canale încorporate. (a) Expunerea este realizată cu o singură focalizare, la doze mari de expunere ale laserului pulsator; (b) Consola (grindă) tip cantilever este expusă folosind focalizarea la distanță (out-of-focus), la doze mici ale laserului pulsator; (c) după developare este creată o consolă tip cantilever cu un singur strat stratificat de SU-8. [60]
Rezultatele sunt prezentate în fig.6.35. Este de observat că pragul de polimerizare pentru SU-8 este de aproximativ 0.2μW/μm2 .Astfel de prelucrări tridimensionale sunt atinse (realizate) atunci când cantitatea de fotoni în unitatea de volum a unui monomer este reglabilă. Cea mai subțire grinda în consolă care a fost realizată este de 60 µm grosime. Grindă de 60 µm grosime a fost fabricată folosind un curent pentru dioda pulsatorie laser de 14 A, rată de repetiție (frecvența) laser de 60 kHz, și distanta out-of-focus de 2 mm. Grinzi mai subțiri ar putea fi realizate prin trei metode: reducerea curentului diodei pulsatorie laser, creșterea ratei de repetiție (frecventei) laser, sau creșterea distanței out-of-focus.
Înălțimea spațiului de sub grinda realizată experimental a fost de 30 µm, care a fost format atunci când s-a realizat o grindă cu o grosime de 234 micrometri. Grinzi mai subțiri, cu interstiții mici între grinda și substrat (de exemplu, 20-30 µm) ar putea fi acceptabil fabricate prin acoperirea substratului cu un strat mai subțire de film SU-8 depus prin centrifugare. Toate grinzile în consola au fost fabricate uniform și sunt de sine stătătoare (independente) fără să se rupă până la substrat. Acest lucru implică faptul că efectul de tensiune superficială este neglijabil. [60]
Tabelul 6.4
Ca o dovadă a reușitei conceptului, fig.6.28 (a) arată imaginea SEM a unui ansamblu de microcoloane fabricate folosind un singur fascicul laser înclinat cu un unghi incident de 45°. Diametrul și înălțimea pilonilor oblici din matrice sunt în jur de 60 și respectiv 100 µm. În mod similar, fig. 6.35 (b-d) prezintă imagini SEM a unor microstructuri matriciale în formă de T și microcanale în formă de V, și a unor mătrici de microcanale realizate în două etape, înclinând fascicul laser de scriere. Unghiurile incidente ale fasciculului laser sunt de ± 60°. Datorită luminii reflectată de suprafața de sticlă de jos, SU-8 de la partea de jos a filmului este parțial expusă. Prin urmare, rămân reziduuri sub structura după developarea SU-8, care pot fi observate în figurile 6.35 (b și c).
Fig. 6.35 Poze SEM pentru matrice micropiloni (a), (b) micropiese în formă de T, (c) microstructuri în formă de V, și (d) matrice de microcanale încorporate cu unghiuri incidente diferite. [60]
Concluziile studiului experimental:
Având ca baza tehnica litografierii laser UV, procesul tehnologic are următoarele avantaje :
s-au realizat grosimi de piese de câteva sute de micrometri, până la 0,4 mm;
geometria nu este limitată la structuri 2D;
se pot obține structuri 3D prin controlul intensității radiației laser și prin controlul poziției focalizării raportată la suprafața fotorezistului;
se pot obține structuri înclinate folosind un dispozitiv corespunzător;
dimensiunile minime pot fi foarte mici (până la 1 µm);
principalul avantaj al tehnologiei LIGA este că poate realiza piese de mici dimensiuni cu costuri mult mai scăzute decât prin alte tehnici (prelucrare mecanică) și că nu este dependentă de tehnologia pe siliciu.
Au fost realizate experimentări privind optimizarea întregului proces tehnologic caracteristic realizării reperelor micromecanice, des utilizate în dispozitivele mecatronice și în mecanică de precizie .
Calitatea pieselor obținute a fost determinată de:
procesul de expunere a structurilor;
procesul de coacere a fotorezistului SU8;
procesul de developare a fotorezistului SU8;
procesul galvanic de creștere (îngroșare) a stratului metalic;
procesul de îndepărtare selectva a fotorezistului SU8 expus.
Metodologia optimizării procesului tehnologic fiind pusă la punct, se poate trece cu ușurință la realizarea de repere de alte grosimi și eventual din alte materiale ce pot fi depuse galvanic prin stabilirea și optimizarea parametrilor de proces specifici fiecărei aplicații concrete.
Metode de realizare a magneților permanenți
Din 1975, atunci când utilizarea filmelor cu magneți permanenți pentru polarizarea traductoarelor cu scopul de a realiza un cap de înregistrare, structurile de magneți permanenți au fost folosiți pentru fabricarea dispozitivelor electromecanice [61]. În funcție de cerințe, aceste structuri pot avea de la câțiva nanometri până la câțiva milimetri. Recent, au fost dezvoltate dispozitive magnetice MEMS [55], ecrane de imprimare, etc [62].
Cercetătorul Baermann a realizat primul magnet permanent, care a fost pozitionat cu ajutorul pulberii cu rășină pe o structură din siliciu. În 1934, s- au făcut cercetări amănunțite pentru realizarea unei substante de lipire a magneților pe placuțele din siliciu numită rășină fenolică. Aceasta rășină este utilizată în prezent în diferite domenii de testare, în special in fabricarea dispozitivelor electromecanice. [63]
Procedura constă în amestecarea pulberilor magnetice cu un liant organic. În urmatoarea etapă, magneții sunt supusi unei operații de comprimare, prin injectare sau extrudare. Au fost făcute cercetări amănunțite pentru a realiza forme cat mai complexe, cu dimensiuni precise. Deși multe abordări permit realizarea structurilor complexe pe scara milimetrică, este încă foarte dificil de realizat fabricarea de magneți cu dimensiuni reduse la scară micro pe un substrat. O altă metodă de obținere a modelelor de magneti la scara micro este de a utiliza o matriță sau prin aplicarea unei tehnici de imprimare cu particule magnetice . Lagorce și colab. [87] au demonstrat un astfel de studiu experimental prin pozitionarea (lipirea) unui magnet permanent pe o grindă de metal folosind tehnica de mai sus.
Alinierea precisă a magneților este un procedeu complex, in care mașina de imprimat trebuie sa exetute puncte de meshare cu dimensiuni de ± 10 μm. Studiul de cercetare a fost limitat la dimensiunea de 4 mm. Prin urmare, provocarea tehnică rămâne în fabricarea de magneți cu dimensiuni cat mai reduse, pe substrat metalic, ce pot fi integrați cu succes in microsistemele MEMS. Prin utilizarea de rășină pentru prinderea particulelor magnetice, trebuiesc create noi metode de optimizare a procesului de modelare, ce servesc la îmbunătățirea preciziei de poziționare și dimensionare. De la Oh, și lucrarea lui Ahn [64], realizarea polimerilor conductoari cu o suprafață neuniformă, pot fi realizați prin procesare UV-LIGA. Datorită faptului că o structură cu dimensiuni mai mari de 25 μm conține forme neregulate, a fost nevoie de aplicarea unei soluții constructive pentru fabricarea unei matrițe de fotolitografiere.
În procesul de cercetare, Wagner și colab.[65,66], au studiat utilizarea unui magnet permanent pentru micromotoare pe un substrat de siliciu, așa cum se arată în fig. 6.36. Ei au arătat posibilitatea de a folosi un magnet permanent pentru mișcare liniară sau rotativă, cu un consum de tensiune redus. Din moment ce tehnicile de fabricație MEMS nu au fost dezvoltate la acel moment, pe piața comercială a fost lansat magnetul cilindric disponibil și în zilele noastre.
a) b)
Fig. 6.36. Un exemplu de utilizare a unui magnet permanent montat într-un dispozitiv MEMS:
(a) un motor cu un magnet permanent de rotație și un plan inductor (b) secțiunea transversală
dispozitivului. Wagner și colab. [66]
Lagorce și colab. [67] au dezvoltat tehnologia de imprimare, pentru a integra un magnet permanent într-un microactuator. Magneții permanenți au fost imprimați pe un ecran din cupru într-o structură în consolă, folosind o pastă magnetică compusă din rășini epoxidice și ferită de stronțiu. Particulele așa cum se arată în figura 6.37. au un nivel de coercitivitate de 320 kA/m (4000Oe) și o inducție reziduală 60 mT (600G), fiind produse într-un disc cu magneți permanenți cu diametrul de 4 mm și 90 mm grosime. Dimensiunea minimă caracteristică este restricționată de dimensiunea ordinului de meshare, creând dificultăți în construirea unui magnet permanent la scară micro cu dimensiuni controlate cu precizie.
a) b)
Fig. 6.37. Un exemplu de magnet permanent după ce a fost supus unei operații de serigrafier a) un microactuator cu magnet permanent; b) model schematic al unui dispozitiv de acționare în consolă metalică. [67]
Recent, cercetatorii Dutoit și colab. au pus bazele fabricării magneților permanenți cu rășină photoepoxy (SU-8). Magneții au prezentat o remanență de Br = 0,34 T și o tensiune de 22 kJ/m3 fiind folosiți pentru aplicații MEMS. Deși valoarea raportată este foarte mare, utilizarea sa este limitată de forma și mărimea particulelor magnetice. În figură 6.38, este reprezentat la scara micro, arhitectura rețelei de magneți precum și poziționarea lor în formă de rețea.
Fig. 6.38 Un exemplu de proiectare a unui magnet poziționat pe o structura cu rășină epoxidică
a) distanța dintre magneți, b) senzor Hall [67]
Liakopoulos și Ahn de la Universitatea din Cincinnati a introdus o nouă tehnică electrolitică în această zonă de cercetare [68]. Cercetarile lor s-au axat pe fabricarea structurilor CoNiMnP pe bază de substrat de siliciu pentru a demonstra fezabilitatea aplicării acestora în dispozitivele MEMS. A fost dezvoltată o nouă tehnică de galvanizarea CoNiMnP, pentru a controla magnetizarea dar și proprietățile magnetice, tehnica fiind bazată pe anizotropie magnetică. Metoda de control anizotropic a magneților permanenți îmbunătățește proprietățile magnetice pentru un dispozitiv de acționare complet integrat bidirecțional. Această tehnică nouă dezvoltată va permite realizarea a numeroase alte aplicații, care necesită utilizarea magneților permanenți "on-chip". Au fost realizate cercetări pentru fabricarea de rășină pentru aplicarea rețelelor cu magneți permanenți la scara micro. Tehnica a fost introdusă inițial de Oh și Ahn la Universitatea din Cincinnati, pentru a depăși problemele de aliniere inexacte a magneților în structura de tip "flip-chip". În procesul de fotolitografie s-a folosit fotorezist în strat gros îmbunătățind alinierea rețelei cu magneți de precizie mărită, matrița putand sa fie și un fotorezist de dimensiuni mai mari. Prin modificarea și combinarea acestei tehnici, metoda de fabricare a rășinii și folosirea acesteia în procesul de lipire, pozitionarea magneților permanenți, a dus la dezvoltarea cu succes a dispoztitivelor MEMS.
Dezvoltarea tehnologiilor de fabricație și integrare a magneților permanenți a avansat treptat pe parcursul ultimelor decenii. Interesul actual în dezvoltarea dispozitivelor micromagnetice a impus întreprinderea de cercetări în cercetarea asupra materialelor și metodelor de microfabricatie a magneților permanenți sub formă de straturi groase, cu produs energetic ridicat, pentru aplicații de tip MEMS.
În ceea ce privește dimensiunile la care pot fi realizati, micromagnetii depuși prin tehnici convenționale (prin pulverizare, galvanizare), au făcut dovada unor performanțe magnetice excelente, însă sunt limitați din punct de vedere al formei, la o grosime de aproximativ 100 µm.
În ceea ce privesc proprietățile magnetice, micromagnetii au fost realizați prin depuneri convenționale ale unor compuși intermetalici fabricati din materiale rare. Din păcate, în cazul acestor magneți atingerea unor performanțe magnetice ridicate este împiedicată de cerințele speciale impuse substraturilor, realizării unor tratamete termice de revenire la temperaturi ridicate, sau alte probleme ce țin strict de procesele tehnologice de integrare a componentelor magnetice în sistemele vizate, procese tehnologice ce pot afecta structura componentelor magnetice și implicit performanțele acestora. Toate aceste limitări au restricționat accesul micromagnetilor pe bază de materiale rare la aplicațiile pe scară largă.
Magneții din Nd-Fe-B, obținuți prin depunere prin "magnetron sputtering", au atins pentru caracteristicile magnetice de interes, valori apropiate de limitele performantelor teoretice cunoscute pentru aceste materiale, însă necesită temperaturi de revenire destul de ridicate dar și prelucrarea cu echipamente de depunere speciale. Acolo unde nu sunt admise temperaturile înalte, aliajele bogate în Co, Co-Pt de exemplu, oferă performante magnetice deosebite, iar straturile depuse sunt integrabile cu ajutorul metodelor de electrodepunere.
De asemenea, un ultim aspect, deoarece tehnologia de preparare a micromagnetilor prin metalurgia pulberilor este încă la început, din punct de vedere al performanțelor, posibilitarea realizării de structuri magnetice sub formă de structuri groase, prin procesare la temperaturi joase și cost relativ scăzut, fac viabilă folosirea acestei metode. Există mai multe oportunități de îmbunătățire a proceselor de realizare, precum și a proprietăților acestor magneți ce pleacă de la pulberi magnetice, existând șansa ca în timp ei să ajungă la performante remarcabile.
Din punct de vedere al integrării micromagnetilor în sisteme, multe dintre performanțele magnetice remarcabile, descrise anterior, au fost obținute în condiții de procesare ideală, fără a lua în calcul integrarea în procesul de fabricație a dispozitivelor MEMS. De exemplu, pot aparea incompatibilități de proces, ce implică soluțiile de galvanizare cu pH ridicat la temperaturi înalte, ce pot conduce la dizolvarea măștii de fotorezist, făcând necesară existența unor materiale neconvenționale de substrat sau cu o orientare cristalină specifică. Acest fapt limitează versatilitatea metodei, impunând cerințe suplimentare legate de efectuarea de tratamente termice post-depunere sau locale, la temperaturi ce depășesc temperaturile limită de funcționare în cazul materialelor MEMS obișnuite.
Un alt impediment este legat de lipsa mijloacelor de structurare fotolitografică. În mod clar, în cazul în care aceste structuri magnetice groase sunt integrate în microsisteme de tip MEMS, aceste aspecte legate de integrare trebuie să fie soluționate. Cea mai ușoară cale pentru integrarea componentelor magnetice, însă cu unele constrângeri legate de dimensiunile minime a magneților permanenți, o reprezintă fabricarea magneților cu liant, pornind de la pulberi microcristaline, pe bază de materiale rare. Pot fi realizați astfel micromagneti pentru aplicații în sisteme mecanice [68]. În scopul de a găsi alternative la acești micromagneti, motivele au fost următoarele:
incertitudinile mari ce apar la măsurătorile magnetice (acestea ar trebui reduse);
reproductibilitatea scăzută a dispozitivelor (care ar trebui sporită);
criza apărută 2010 în aprovizionarea cu materii prime pe bază de materiale rare, datorită politicii de monopol a Chinei;
de a obține direct componente magnetice microprelucrate.
S-a ajuns la concluzia că cercetările ar trebui să se concentreze pe găsirea unor aliaje magnetice fără utilizarea unor metale rare, cu performanțe magnetice adecvate care să permită dezvoltarea unor componente micromagnetice prin microprelucrare. S-a mers pe două căi:
depunere de straturi subțiri de aliaj;
aplicarea unei tehnici de procesare ce combina procedeul LIGA
Magneții permanenți au fost folosiți pentru multiple aplicații cu acționare electromagnetică cât și ca senzori pentru a asigura un câmp magnetic constant, fără un consum de energie electrică și fără generarea de energie termica. Energia stocată într-un magnet permanent nu se deterioreza în cazul în care magnetul funcționează în mod corespunzător, pentru că nu efectuează lucru mecanic asupra sa și nici în jurul său, spre deosebire de energia stocată într-o baterie [28]. Mai mult decat atat, magneții permanenți pot produce o densitate relativ mare de energie în microstructuri și în dispozitivele de stocare la scara micro. Din acest motiv, recent, a existat un interes crescut pentru realizarea componentelor magnetice dure respectiv magneți permanenți în domeniul MEMS-urilor [69].
În general, dispozitivele MEMS magnetice sunt recunoscute pentru multiplele avantaje față de alte dispozitive electrostatice MEMS. Aceste avantaje includ generarea de forță relativ mare cu o rază lungă de propagare, producînd o deformare relativ redusă, chiar și în medii dure de funcționare [70]. În plus, dispozitivele MEMS, ce contin unul sau mai multi magneti permanenti, au avantajul de a o genera energie constantă, care poate fi stocată în materialele magnetice dure, în comparație cu o variabilă de tip reductanță, ce include un dispozitiv de acționare electromagnetică [71].
Mai exact, o componentă, de tip magnet permanent este esențială în realizarea microactuatorilor magnetici, dat fiind faptul că o acționare bidirecțional poate fi ușor de realizat prin combinarea unui magnet permanent cu un electromagnet. De exemplu, o rază lungă de acțiune stabilă a unui microactuator bidirecțional, va beneficia de switch-uri optice, care sunt componente esențiale pentru comunicare optică de prelucrare a imaginii.
Printre mai multe principii disponibile pentru acționarea bidirecțională, poate fi considerată ca fiind unul dintre cel mai mare avantaj, chiar și pentru o deflecție majoră, peste câteva sute de micrometri. Bazată pe o forță magnetică, mișcarea bidirecționala poate fi realizată între un magnet permanent și un electromagnet. Prin modificarea direcției de excitație a curentului prin electromagnet, forțele fie se atrag, fie se resping. Insă, ele pot fi generate între magneți, astfel încât dispozitivul de acționare să aibă o structură relativ simplă.
În ciuda numeroaselor avantaje ale dispozitivului de acționare magnetica bidirecțională, realizarea acestor dispozite, a fost limitată în principal de dificultăți tehnice în fabricarea precisă a grosimii pentru magneți permanenți la scara micro.
Procesele de fabricație, temperatura de prelucrare, geometria și precizia de pozitionare a magneților permanenți fabricați, trebuie să fie compatibilă cu alte dispozitive electronice, cum ar fi circuitele CMOS și electromagneții integrați. În scopul de a îndeplini cerințele descrise în cele de mai sus, existe o nouă metodă de a fabricare a unui magnet permanent, pe o structură de siliciu, care poate aduce un progres tehnologic în utilizarea acestuia, ca parte integrată în dispozitivele MEMS magnetice. Pentru a realiza magneți permanenți pentru aplicații MEMS, s-au aduc contributii esentiale in obținerea tehnicilor de galvanizare.
Aceasta includ dezvoltarea și caracterizarea de noi etape, cum ar fi microprelucrarea caracteristica magneților permanenți, realizată cu tehnici de fabricație la scară micro. Apoi magneții permanenți nou realizați, pot fi integrați în microactuatori magnetici, inclusiv intr-o retea de microactuatori magnetici bi-direcționali ce sunt acționați magnetic de un scaner optic, exemplu, un separator de celule magnetice.
În procesul de fabricare UV-LIGA, a fost folosit un fotorezist AZ PLP-100. După optimizarea condițiilor de prelucrare, au fost realizate matrițe adânci, cu dimensiunea de 65 μm prin poziționarea magneților prin tehnica UV. Această metodă a permis o aliniere precisă și un control dimensional al acestora. Pentru selectarea particulelor magnetice, a fost aplicat un proces selectiv, necesitand o atenție deosebită dimensionării reduse a particulelor. În realizarea compoziției se poate folosi pulberea de Nd-Fe-B, precum și Sm-Co pe bază de aliaje.
În comparație, utilizarea unor structuri cu dimensiunile apropiate de 1 μm, folosind Ba-ferita (BaFe12O19) sau Sr-ferita (SrFe12O19), proprietățile magnetice ale celor două materiale sunt apropiate având o remanență relativ mare de 1 – 4 kG, o coercitivitate 2000 – 5000 Oe, și o temperatură Curie de aproximativ 450oC în procesul de fabricație. De fapt, ferita este în cea mai mare parte materialul principal sub formă de pulbere produs pentru fabricarea magneților permanenți [72].
Un alt avantaj constă în rezistivitatea ridicată a magnetilor, ceea ce duce la pierderea curenților turbionari scăzuți, fiind utili în aplicații dinamice, cum ar fi utilizarea lor într-un dispozitiv ce are în componență și motoare electrice. În plus, coercivitatea ridicată, stabilitatea chimică și costurile de achiziționare reduse, le face foarte utile pentru diverse aplicații ce folosesc dispozitivelor MEMS.
Oportunitățile pentru realizarea de aplicații noi MEMS, folosind un magnet permanent sunt relativ dezvoltate pe piața emergentă, cu toate acestea, sunt mai multe procese de fabricație incompatibile între structurile cu magneți permanenți și dispozitivele MEMS generale, care ar trebui dezvoltate prin analizarea de noi tehnici de fabricație.
Electrolitica este un proces foarte util pentru producerea de structuri metalice, realizat dintr-un substrat superior, într-o formă predefinită, urmată de procedeul de fotolitografiere, care se poate realiza, într-un mod de procesare discontinuu și care necesită un cost redus. Cu toate acestea, galvanizarea structurilor magnetice moi au fost realizate în diverse dispozitive MEMS [75], galvanizarea magneților permanenți, aplicandu-se în special pentru dispozitivele MEMS, acest procedeu fiind cu adevărat analizat de cercetatorii Liakopoulos și Ahn la Universitatea din Cincinnati, microfabricând cu succes o structură groasă de CoNanP [73].
Prima etapă în fabricarea de magneți permanenți folosiți în aplicații MEMS este de a utiliza un material cu proprietăți magnetice suficient de mare care este aplicat pe o structură. Cu toate că aceste structuri prezintă un nivel ridicat de coercivitate și remanență, acestea trebuiesc să fie integrate la o temperatură de 600°C, pentru a fi poziționate prin operația de cristalizare, acest proces nefiind utilizat pentru prelucrarea dispozitivelor electronice. Un dezavantaj este acela că aceste structuri nu pot fi fabricate în matrițe, făcând dificil procesul de galvanizare.
Materialul magnetic extras din materiale rare are o sensibilitate ridicata la oxidare. Au fost dezvoltate inițial pentru obținerea de structuri magnetice dure prin utilizarea procedeului de galvanizare[76]. Aliajele pe bază de CoP, au un nivel al coercivitatii ridicat precum și o remanență pe direcție vertical. Aceste proprietăți sunt considerate ca fiind proprietăți magnetice neobișnuite, deoarece demagnetizarea se produce în direcția grosimii dintr-o structură. În general, o peliculă feromagnetică este dificil să se magnetize din cauza grosimii de structură. Acest lucru poate fi înțeles într-un mod destul de simplist, prin considerarea polilor magnetici de sens opus, fiind plasați de-a lungul axei, generând astfel un câmpul magnetic. În paralel cu axa structurii, polii sunt separați și astfel au o energie magnetostatică scăzută. Axa longitudinală a magnetului este prin urmare, axa de magnetizare a unei forme anizotrope, în timp ce orice altă axa perpendiculară pe suprafața magnetului este greu de magnetizat. Diferența, pentru magnetizare M, pentru un cilindru este dat de [72]:
(2.1)
unde:
Dx și Dz sunt factorii în direcția de magnetizare paralelă și perpendiculară pe axa cilindrului. În figura de mai jos este reprezentat factorul de demagnetizare de la forma de anizotropie în formă alungită, elipsoidală.
Fig. 6.39. Forma anizotropă într-un elipsoid, ce arată alungirea variație dintre diferența între cei doi factori principali de magnetizare ‘Dz-Dx’ în funcție de raportul axial [72].
În contrast, magnetismul structurii din aliaj CoNiP, sta sub incidența principiului de anizotropie magneto-cristalină, care este dependentă de proprietățile magnetice pe direcția cristalografică, acest lucru arătând o magnetizare verticală pe intreaga suprafață a magnetului. Cu toate acestea, unii cercetători au afirmat faptul că, coercivitatea materialului pe bază de CoP are tendința de a satura sau descrește odată cu creșterea în grosime a structurilor, datorită pierderii orientării cristaline inițiale. [73]
Conform cercetatorior Matsubara și colab. [72], o cantitate mare a coercivitatii poate fi găsită în structurile CoNiP, acestea micșorându-se de la 1000 Oe la 500 Oe pe o structură, unde grosimea crește de la 0,02 µm până la 0,5 µm. Din moment ce majoritatea cercetărilor au fost făcute pe structuri subțiri sub 1 µm, o provocare în domeniul cercertarii este de a crește, sau cel puțin de a se menține aceleași proprietăți magnetice, chiar și după o creștere în grosime a structurii.
Pentru a putea utiliza câmpul magnetic din magnet, stocarea energie magnetice trebuie să fie suficient de mare. În acest sens există două modalități de a crește cantitatea de energie magnetică, produsă de un magnet permanent. Tensiunea este un produs al energiei magnetice, fiind direct proportională cu gradul de magnetizare dar si cu volumul unui magnet. Din moment ce densitatea de energie a unui magnet este dată de produsul dintre densitate de flux și de intensitatea câmpului magnetic, B respectiv H, există posibilitatea de creștere a cantității de energia stocată.
O altă soluție este de a mări volumul unui magnet, aplicat pe o structura cu dimensiuni mai groase este de a se aplica operația de galvanizarea, problema de pozitionare a magneților fiind rezolvată automat prin etapa de fotolitografie. Apoi, operațiunea imediat următoare constă în dezvoltarea unei tehnici care să permită controlul proprietăților magnetice într-o anumită dimensiune. Oscilanțiile câmpului magnetic reprezintă un pas esențial în fabricarea de magneți permanenți . În mod similar, prin utilizarea procedeului de galvanizare a unui magnet permanent sub câmpuri magnetice externe, îmbunătățirea proprietăților magnetice pot fi nesatisfăcătoare, cu toate că procedeul de galvanizare sub câmpul magnetic extern puternic a mai fost utilizat și pentru "proiectare morfologică" electrochimică [74], a unei structuri magnetice cu duritate scăzută.
Pentru a obține energie magnetică în cantitate ridicată, în componentele magnetice fabricate din material dur, volumul magnețiilor trebuie să fie cât mai mare posibil. Astfel, pentru a produce un volum mare de magneți permanenți se impune reducea grosimii substratului de siliciu pe structură matricială. Deasemenea, proiectarea are și rolul de a facilita magnetizarea de-a lungul grosimii structurii prin reducerea efectului de demagnetizare. Astfel a fost realizat un magnet într-o structura de tip matrice cu o formă dreptunghiulară, dimensiunea acesteia a variat de la 30 µm până la 100 µm. Diferitele mărimi au fost concepute pentru a studia comportamentul structurii matricei de magneți, dar și efectul proprietăților magnetice. Dimensiunile tipice ale fiecărui magnet într-o matrice au fost următoarele (dimensiune: µm): 100 x 30, 40 x 30, 50 x 50, 40 x 40 și 30 x 30. Spațierea între doi magneți a fost de 30 µm. Grosimea a fost controlată pentru a ajunge în jurul valorii de 20 µm. In figura de mai jos este prezintă o vedere schematică a acestei structuri matriciale.
.
a) b) c)
Fig. 6.40 Reprezentarea modelului proiectat tip matrice: a) vedere de sus a unei structuri de tip matrice pătrată, (b) vedere de sus a unui structuri de tip matrice dreptunghiulară, (c) vedere 3D grosimea magneților permanenți într-o structura matricială. [74]
La proiectarea unui magnet, scalarea acestuia a fost utilizată ca o măsură a efectului geometric, care este proporțională cu factorul de demagnetizare al magnetului. Valorile de scalare au fost definite prin raportul dintre dimensiunea cea mai lungă și cea mai scurtă într-un electromagnet individual, așa cum este ilustrat în figură de mai jos, unde numărul acestora este calculat ca un raport între lungimea împărțită la grosimea unui magnet într-o matrice.
Fig. 6.41 Vedere schematică a unui magnet individual într-o matrice, raportul de proporționalitate este definit 2a/2b. Sensul săgeții este reprezentat ca fiind direcția de magnetizare, de formă anizotropă [74]
Prin procesul de galvanizare s-au obținut substraturi de CoNiMnP cu dimensiunea de 2 inch, pe aproximativ 100 plachete de siliciu. În urma oxidării plachetelor de siliciu a fost obținut un strat nou de SiO2 cu rol izolator, Cr (300A)/Cu (3000A) sau Cr (300A)/Ti (3000A) fiind depus cu ajutorul unui vaporizator cu fascicul de electroni a unui strat de grăunțe pentru placare. Astfel fotorezistul AZ-4620, a fost aplicat pe plachetă, pentru a se obtine o grosime corespunzatoare a matricei. Procedeul de galvanizare a fost realizat la o tensiune de 5 mA/cm2 până la 10 mA/cm2. În final, surplusul de fotorezist s-a îndepărtat cu acetonă, iar plachetele au fost divizate în forme mici, pătrate, fiind probe pentru măsurători magnetice. In figura 6.34 sunt reprezentate schematic procesele de fabricație ale magneților.
Fig.6.42 Reprezetarea etapelor de fabricare a magneților permanenți. (a) Cr/Cu sau Cr/Ti prin depunere a unui strat de grăunțe, (b) etapa de depunere pe structură a fotorezistului, (c) etapa de galvanizare, (d) decaparea fotorezistului.[74]
În urma acestor procedee aplicate, au fost reprezentate, așa cum se arată în figura 6.39. cu scopul de a îmbunătăți și controla anizotropia verticală în matricele cu magneți pentru eficientizare, precum și pentru reducerea iregularităților suprafeței materialelor galvanizate, ambii magneți fiind fabricati din material ceramic (Ferrimag 8A, Adams Products magnetice, 3900G) și un agitator cu palete. Astfel, cei doi magneți din ceramică au fost pozitionați cu scopul de a produce un câmp magnetic extern în procesul de galvanizare. Rezultatul magnetic măsurat depus pe plăcută a fost de 1200G (120 mT). Sensul de mișcare a agitatorului cu palete a asigurat un mijloc de transport uniform de ioni metalici în soluție. In jurul substratului, fiind îndepărtate eficient bulele de gaz de pe substrat [75]. A fost folosită o folie de Co, cu rol de anod pentru a menține constant procentul ionilor metalici în baie.
Fig. 6.43 Sistemul de galvanizare cu un agitator cu palete și magnet din ceramică. a) vedere schematică și b) configurarea efectivă.[75]
Compoziția din baia electrolitică a fost adaptată la finalul procedeelor, iar pentru acest studiu [75] sunt descrise în caracteristiciile compozitiei in tabelul 6.4
.
Tabelul 6.4.
Etapa de galvanizare a fost realizată cu succes, matricea cu magneți permanenți având forme diferite dreptunghiulare și pătrate.
Fig. 6.44. Reprezentarea micrografiilor electronice de tip matrice, procedeul de galvanizare a magneților permanenți.Vedere de ansamblu a) matrice pătrată (40 µm x 40 µm x 20 µm) și b) matrice dreptunghiulară (100 µm x 30 µm x 20 µm). Vedere mărită c) matrice pătrată (40 µm x 40 µm x 20 µm) și b) matrice dreptunghiulară (100 µm x 30 µm x 20 µm) [75]
Caracteristicile magneților permanenți
Compoziția magneților permanenți prin electroplacare a fost realizată cu ajutorul EDS (Energie Dispersive Spectrometru), așa cum se arată în figura 6.45. Structura cu matricele de magneți este compusa din 84-85% Co, 7-9% Ni, 5-7% P și 0.5-1.3% Mn în procente la scară atomică. Conținutul de Co în structură a fost menținut la o valoare ridicată prin controlul concentratiei compoziției din baie, în urma procedeului de galvanizare, pentru a produce un nivel de coercivitate ridicat.
Fig. 6.45. Spectrul de energie de dispersie al unui magnet permanent galvanizat [75]
Structura de cristal a magneților permanenți realizată prin procedeul de galvanizare a fost analizat cu XRD (Xray difracție). Așa cum se arată în figura 6.38., vârfurile XRD suprapuse la 43.3o, 50.4o, 69.0o și 74.0o sunt dintr-un substrat de referință de Si cu oxid metalic. Cele două vârfuri specifice la 41.68o și 44.56o au fost obtinute pentru CoNiMnP.
Din moment ce nu există date XRD standard pentru magneții din aliaj CoNiMnP, structura de cristal în sine nu poate fi verificată. Cu toate acestea, este arătat faptul că aliajul de CoNiMnP este în faza amorfă, nu cristalină.
Fig. 6.46 . Analiză prin difracție cu raze X a magneților permanenți [75]
Proprietățile magnetice ale structurii cu matrice de magneți permanenți, ce au fost tratați prin procesul de galvanizare, sunt caracterizați cu ajutorul unui “VSM” (magnetometru cu etalon vibrat). Valorile buclei histerezisului de magnetizare pentru probele măsurate pe verticală sunt prezentate în figura 6.47. Atât coercivitatea, cât și remanența magneților cresc atunci când probele sunt galvanizate sub câmp magnetic extern.
Fig. 6.48 Reprezentarea histerezisului 4TTM-H cu magneți permanenți fără câmp magnetic extern (linia subțire) și cu câmpul magnetic extern (linia groasă).[75]
În figura 6.49 sunt reprezentate valorile măsurate ale coercivitatii și reprezentarea grafică în funcție de proiectarea unui electromagnet.
Fig. 6.50 Reprezentarea a) nivelul de coercivitate și b) capacitatea de reținere în funcție de proiectarea magneților. [75]
Așa cum se arată în figura 6.48 (a) și (b), în etapa de galvanizare, remanența poate fi controlată prin modificarea geometriei de la 120% până la 160% în raport cu cea mai scăzută valoare. Cu toate acestea, aplicarea câmpului magnetic în timpul procedeului de galvanizare, s-a dovedit a fi o modalitatea mai eficientă, cu scopul de a îmbunătății coercivitatea de până la 220%, iar remanența de până la 380%.
Deși efectul de magnetizare are loc în pe lungimea plăcuței, astfel magnetizarea verticală în structurile magnetice este dificil de realizat din punct de vedere fizic. Aceste probleme pot fi depășite prin introducerea conceptului de structura tip matrice și aplicarea unei noi tehnici de galvanizare, forțând alinierea domeniului magnetic cu aliaj CoNiMnP. Alinierea forțată a elementelor magnetice din matrice poate fi explicată printr-o anizotropie magneto-cristalina a unei structuri co-aliaj.
Având în vedere că energia maximă stocată realizată în etapa de galvanizare a matricei cu magneți permanenți depinde de dimensiunile și proprietățile magnetice ale plăcuțelor cu magneți, rezultatele arată în mod clar că forța generată poate îndeplii cerințele funcționale prin ajustarea proprietăților magnetice pentru o anumită dimensiune a magnetului permanent fabricat. În plus, aplicarea acestei tehnici de galvanizare necesită un tratament termic implicat în magnetizarea componentelor magnetice de tip structură și astfel acesta poate fi utilizat pentru post procesare a componentelor magnetice, fără a deteriora circuitele electrice. Astfel, s-a realizat și o verificare suplimentară a anizotropiei verticale a unui magnet, MFM (microscopie magnetică). Din reprezentarea MFM, a fost realizată magnetizarea pe verticală, fiind astfel îndepărtat polul nord.
Fig. 6.51 Reprezentarea unei microscopi magnetice a unei matrice cu magneți permanenți, zona centrală indică polul nord.[75]
Proprietățile magnetice ale unei matrici cu magneți permanenți
Proprietățile materialelor ale Sr-feritei sunt esențiale in proiectarea unui magnet permanent. Placuța cristalizată din Sr-ferită trebuie să aibă o formă identică din punct de vedere dimentional cu matricea cu magneti, astfel magnetizarea trebuie sa fie realizată perpendicular pe suprafața plăcutei cu unghiuri drepte față de suprafața acesteia, așa cum se arată în figura 6.52.
Tabelul 6.5
Datorită structurii cristaline, particulele tind să fie "împachetare" împreună cu suprafețele plane paralele între ele și perpendiculare pe direcția de presare [72].
Fig. 6.52 Reprezentarea direcției de magnetizare pe structura de cristal hexagonala de SrFe12O19. [75]
Sunt comparate proprietățile magnetice între cele două materiale pentru magneții permanenți reprezentate în figura de mai jos. Comparativ cu afirmatiile lui Alnico, materialul din Sr-ferită prezintă o mult mai buna coercitivitate. Sr-ferită este, prin urmare, sub forma unui material sub forma unui disc magnetizat, având o coercivitate suficient de mare pentru a rezista câmpurilor ridicate de demagnetizare [76].
Fig. 6.53 Compararea celor două bucle de histerezis [75]
Este prezentată o matrice cu magneți fabricați din Sr ferită cu formă rotundă, cu diametrele de dimensiuni de 50 μm, 100 μm, 150 μm sau 200 μm. Înălțimea a fost determinată de grosimea fotorezistului și a fost stabilită între 60 și 70 μm. În figură de mai jos este prezentată o vedere schematică a matricei cu formă cilindrică.
Fig. 6.54 Ilustrare de proiectare a matricei: a) vedere de sus, în care d = 50 μm, 100 μm, 150 μm sau 200 μm și b) vedere 3D a unei matrice cu forme cilindrice. [75]
În urma acestui ultim procedeu, procesul de magnetizare al magneților permanenți din ceramică (Ferrimag 8A, Adams Produse magnetice, 3900G), se realizează la temperatura camerei timp de 24 de ore. Dacă este cazul, reziduurile de pastă sunt calcinate cu RIE de oxigen (corodare cu ion reactiv). Din cauza diferenței de rezistență chimică între fotorezist și pastă magnetică în matriță, fotorezistivul poate fi îndepărtat cu acetonă. In figura de mai jos sunt reprezentate etapele de fabricare a magneților.
Fig. 6.55 Reprezentarea etapelor de fabricație: a) substrat preparat; b) fotorezist – patternuri; c) nivelul de umplere și d) decaparea fotorezistului. [75]
Dupa procesul de fabricare, aplicarea magnetilor cu ajutorul pastei magnetice, fiind preparată din pulbere de Sr-ferită (Fermag Technologies, Inc.) si din rășini epoxidice ce se pot intări după aplicare la temperatura camerei. Proprietățile magnetice și fizice ale pulberii de Sr ferită, sunt prezentate în tabelul 6.6:
Tabelul 6.6
Proprietățile fizice ale rășinii epoxidice
Tabelul 6.7
Așa cum se arată în figura de mai jos, matricea cu magneti permanenti a fost fabricată pe substrat de siliciu prin tehnica de umplere a matrițelor încastrate în structură. Pereții laterali ai magneților sunt bine definiți, fiind aplicați cu ajutorul rășinii epoxidice.
(a) (b
(c)
Fig. 6.56 Reprezentarea microscopică a unei matrice cu magneți prin turnare cu dimensiunile: (a) 150 µm, (b) 100 µm, (c) 50 µm [75]
Mai jos este prezentată o buclă aparținând unui histerezis cu nivelul de demagnetizare, rezultatul fiind o diferență nesemnificativă în ceea ce priveste caracteristicile de demagnetizare, deși au existat variații ale proprietăților magnetice de la un magnet la altul, fiind analizate diferite probe, cu diferite dimensiuni, din același lot.
Fig. 6.57 Grafic reprezentânt o buclă de histerezis, 4πM-H a magneților permanenți. [75]
Fig. 6.58 Grafic reprezentând energia stocată dintr-un magnet permanent în funcție
de dimentiunea lui [75]
Astfel așa cum sunt rezumate în tabelul 6.8, proprietățile în probele experimentale ale magnetilor permanenți au arătat o producere de tensiune, care poate fi utilizată pentru diverse aplicatii ale sistemelor MEMS.
Valorile de tensiune extrase din probe de magneti permanenti
Tabelul 6.8.
Mai jos este prezentat un dispozitiv de acționare magnetic bi-direcțional format dintr-o structură de siliciu și un electromagnet la care s-a aplicat metoda de galvanizare pentru a realiza acționarea bidirecțională a matricei cu magneți permanenți. În diagrama schematică de mai jos este prezentat în partea inferioară o grindă în consolă, apoi modul de orientare pe axa de simetrie a consolei cu magnețăi permanenți.
Fig. 6.59 Structura unui microactuator în consolă, a) vedere schematică și
b) vedere în secțiune [76]
Dimensiunea detaliată a unei grinzi în consolă este prezentată în figura 6.60, unde L, w, t sunt dimensiunile de 6 mm, 1 mm, 13 mm și respectiv 5 mm.
Fig. 6.60 Reprezentarea unui microactuator în consolă: L = 6mm, w = 1 mm, a = 5 mm și t = 13 µm. [76]
Concluzii
În urma exemplului prezentat, în care au fost proiectați din aliaj CoNiMnP, a unei matrice de magneți permanenți. Sistemul de galvanizare a fost conceput pentru a fabrica o matrice cu magneți permanenți din câmpul magnetic extern. S-au optimizat condițiile de prelucrare cu câmpurilor magnetice externe în timpul galvanizării, fiind aduse îmbunătățiri considerabile în ceea ce privește coercivitatea și remanența magneților până la 220% respectiv 380%, în comparație cu magnerii fabricați în lipsa câmpurilor magnetice externe. S-au realizat matrice cu magneți având dimensiunile cuprinse între: 20 µm, 30 µm și 100 µm, iar valorile de coercitivitate au fost cuprinse între 1100 Oe, remanenta 1900 G și densitate de energie de 2.3kJ/m3.
CAPITOLUL 7 STUDIUL EXPERIMENTAL – REALIZAREA UNUI STAND ELECTROMAGNETIC DESTINAT APLICAȚIILOR MEMS
7.1 Prezentarea standului electromagnetic
În cadrul studiului experimental am realizat proiectare a unui stand electromagnetic pentru aplicatii MEMS, destinat utilizării unor teste (măsurători) experimentale pentru recuperarea energiei, folosind principiul autoinducerii electromagnetice.
Fig. 7.1 Stand electromagnetic destinat aplicatiilor MEMS acționat mecanic
Cu ajutorul acestui stand electromagnetic se pot realiza măsurători privind:
modul de comportare electrică a unui microsistem;
modul de comportare pur mecanic a unui microsistem;
modul de comportare al unei microbobine cu rol de senzor;
modul de comportare al unei microbobine cu rol de actuator.
Sistemul de poziționare are 4 grade de libertate, 1 translație verticală pentru determinarea poziției ansamblului de ghidare PI, și 3 translații orizontale ale sistemului de ghidare ce pot fi acționate atât mecanic, de către operatorulul uman cât și electric, cu ajutorul programului LabView, ce comandă cele trei motoare liniare M 231. Standul electromagnetic acționat mecanic de cele trei ghidaje M 105 PI cu poziționare liniară, poate realiza deplasarea verticală a unui suport pe care este atașată o microbobină. În funcție de studiul experimental realizat, operatorul poate sa ajusteze distanța dintre piesa pe care se vor face măsurătorile și masa de pozitionare în 3 axe (thorlabs TTR).
Fig. 7.2 Stand electromagnetic destinat aplicatiilor MEMS acționat electric
Fig. 7.3 Modul de funcționare al standului electromagnetic acționat electric
Cu ajutorul programului Labview putem comanda electric cele trei motoare liniare pentru a realiza deplasarea celor trei ghidaje în funcție de măsurătorile care vor fi efectuate. Astfel operatorul uman introduce valorile necesare în programul de comandă, iar datele I/O vor fi procesate de placa de achiziție date PCI-7344. Semnalul de comandă este procesat de un dispozitiv de control (fiind interfața I/O între motoarele liniare și placa de achizitie date), ce face legătura între informația primită și deplasarea liniară a motoarelor.
Fig. 7.4 Modul de funcționare al standului electromagnetic acționat electric
Pentru realizarea unei precizii ridicate în poziționarea ghidajului PI la scară nanometrică, s-a folosit un dispozitiv tip nanocub în trei coordonate “XYZ”, ce măsoară modul de funcționare ale motoarelor liniare. Astfel coordonatele de deplasare, primite prin programul Labview sunt procesate de placa de achizitie date PCI-7344, care trimite semnal de comandă, către dispozitivul de procesare C 809 PI, implicit pentru controllerul piezoelectric E 664. Semnalul de comandă, procesat ajunge la nanocubul P-611.3 care comandă motoarele electric.
7.2 Principiul de funționare a standului electromagnetic
a) Analiza răspunsului electromagnetic al microbobinei și a matricei cu micromagneți permanenți
În acest studiu experimental se măsoară modul de comportare electrică a microactuatorului electromagnetic. Cu ajutorul unei benzi cu adeziv atașăm elementul de recuperare a energiei/mictoactuatorul electromagnetic pe masa de poziționare. Metoda de măsurare se poate realiza atât mecanic cât și electric. Datorită mișcării relative între bobină și magneți se produce o tensiune la bornele bobinei care este măsurată cu ajutorul unui accelerometru plasat perpendicular în partea inferioara a mesei de poziționare.
Fig. 7.11 Reprezentare 3D – analiza răspunsului electromagnetic
Fig 7.5 Modul de comportare electrică a microactuatorului electromagnetic
Fig 7.6 Modul de comportare electrică a microactuatorului electromagnetic
b) Modul de comportare pur mecanic a elementului de recuperare a energiei/ a microactuatorului electromagnetic
Pentru analiza modului de comportare mecanică a elementului de recuperare a energiei/microactuatorului electromagnetic, este neceră poziționarea acestuia pe o flanșă circulară ce face conexiunea între vibratorul TIRA Vib S 513 și acesta. Cu scopul de a reduce factorii perturbatori de recuperare a curentului electric s-au folosit șuruburi din nylon 66, pentru fixarea suportului pe suprafața superioară a mesei cu trei rotații (thorlabs TTR). Pentru controlul orientarii suportului pe care se află poziționat elementul de recuperare a energiei de măsurat, s-a folosit un dispozitiv de poziționare in 3 axe, TTR (2 translatii si o rotatie), pentru a permite ajustri de rotatie reglabilă asigurând o deplasare incrementată cu un pas foarte mic de ± 5 °. Deasemenea pot fi reglate presarcini, pentru a minimiza reacțiile negative prin tensionare.
Operatorul introduce valorile pentru aplicarea unei frecvențe corespunzătoare cu ajutorul analizorului. Semnalul de comandă este primit de un aplificator TIRA 2647 B, care la rândul lui procesează informația și o trimite către vibrometrul Vib S 513, acesta fiind supus unor mișcări controlate. Vibrația este transferată către lamela flexibilă pe care sunt poziționați reteaua cu magneți permanenți și bobina plată. Vibrația lamelei sunt măsurate cu vibrometrul laser CLV 3D. În figura 7.7 este reprezentat un model 3D, cu modul de măsurare a microactuatorului. Valoarea răspunsului mecanic, primit de la vibrometrul laser este captat de analizorul de frecvență.
Fig. 7.7 Modul de comportare pur mecanic a microactuatorului electromagnetic vedere 3D
Fig. 7.8 Vedere detaliată cu modul de poziționare a elementului de recuperare a energiei
Fig. 7.9 Schema bloc – modul de comportare pur mecanic a microactuatorului electromagnetic
c) Modul de comportare al microsistemului cu rol de senzor
Prima etapă din acest studiu o constituie introducerea valorilor pentru setarea nivelul frecvenței cu ajutorul analizorului. Semnalul de comandă este primit de aplificatorul TIRA 2647 B, de la analizorul de semnal RS785. Amplificatorul procesează semnalul și îl trimite către vibrometrul Vib S 513, acesta fiind supus unor mișcări controlate. Vibrația este transferată către lamela flexibilă, pe care este poziționată o microbobină plată. Sub acțiunea vibrației, aceasta produce o excitație ce este măsurată de un accelerometru piezoelectric. Semnanul accelerometrului este captat de analizorul de semnal.
Fig. 7.10 Dimensiunile microbobinei și a rețelei cu micromagneți permanenți
Fig. 7.11 Modul de poziționare a bobinei
Fig. 7.12 Metoda de măsurare a bobinei și comportarea ei cu rol de senzor
Fig. 7.13 Schema bloc, reprezentarea modului de comportare al microsistemului cu rol de senzor
7.3 Aparatele și dispozitivele utilizate în cadrul experimentelor
În vederea efectuării experimentărilor se folosește un montaj complex de aparate și dispozitive ce permit efectuarea de experiente. În principiu, montajul ce servește la efectuarea experimentărilor cuprinde:
un vibrator cu parametrii reglabili și comandați, folosit pentru a se aplica sistemului de control vibrații controlate, necesare determinării răspunsului acestuia în condiții de funcționare controlate;
un dispozitiv de pozitionare – Thorlabs TTR001(/M), cu 2 axe de translație și o axa de rotație de ± 5 °;
un accelerometru CCLD 4507, cu sensibilitate ridicată, masă redusă și dimensiuni fizice mici, fiind destinat pentru realizarea măsurătorile modale;
un ansamblu cu 3 sisteme de ghidaj M 105 PI, pentru deplasarea probei supus etapelor de măsurare;
un analizor de semnale de frecvență joasă ce reprezintă elementul principal de comandă și de înregistrare/prelucrare a datelor și a rezultatelor, ce se obțin în cadrul lucrărilor experimentale;
o sursă de tensiune și curent reglabilă, necesară pentru aplicarea de tensiuni sau curenți continui sau variabili cu parametrii controlabili și comandați;
scule și dispozitive de prindere, fixare sau manipulare a sistemului, care asigură poziționarea sistemului și a accesoriilor, astfel încât să se poată realiza condițiile de funcționare a sistemului, a aparatelor și a celorlalte elemente ale montajului experimental.
Pentru realizarea studiilor experimentale a fost necesar utilizarea unui dispozitiv ce produce vibratii controlate. Astfel, am folosit un sistem de testare la vibrații pentru experimentări, produs de firma TIRA GmbH, de tip TIRA Vib S 513. Sistemul de testare la vibrații este deci format dintr-un vibrator (S 513), amplificatorul de putere (2646B) și accesorii (accelerometre și cabluri speciale). Sistemul este dotat cu sisteme de control pentru regimurile sinusoidale, aleator și la șocuri.
Principalele caracteristici ale sistemului de vibrații TIRA Vib S 513
Vibratorul TIRA Vib S 513, prezentat în figura de mai jos, are următoarele caracteristici afisate în tabelul 7.1.
Fig. 7.14 Vibratorul TIRA Vib S513.
Principalele caracteristici ale vibratorului S 513 [77]
Tabelul 7.1.
Fig. 7.15 Digrama caracteristică frecvență/acceletație pentru vibratorul TIRA Vib S513 [77]
Principiul de funcționare a masei de vibrat sunt similare cu cele ce caracterizează funcționarea unui difuzor, reprezentate in figura 7.3. Mișcarea de vibrație este generată de interacțiunea câmpului electromagnetic generat de trecerea curentului electric prin bobina de comandă și câmpul magnetic al magnetului permanent dispus în circuit.
Forța utilizată pentru a accelera elementul mobil al mesei de vibrat, m (element format dintr-un corp solid, suspendat cu ajutorul unei membrane elastice și o bobină de comandă) este proporțională cu valoarea curentului electric ce trece prin bobină, densitatea fluxului magnetic din circuitul magnetic și lungimea conductorului ce formează bobina de comandă aflată în câmpul magnetic. [46] Rezultă că nivelul vibrațiilor ce pot fi generate de masa de vibrat poate fi controlat cu ajutorul intensității curentului electric ce trece prin bobina de comandă.
Fig. 7.16 Principiu de realizare si functionare a mesei de vibrat [77]
În situația în care se urmărește obținerea de vibrații cu amplitudini și accelerații relativ reduse, câmpul magnetic necesar este generat cu ajutorul unor magneți permanenți iar în cazul în care se doresc aplicarea de vibrații cu amplitudini și accelerații mari se utilizează electromagneți.
Accelerația maximă a vibrațiilor depinde de intensitatea curentului de comandă aplicat bobinei și de masa totală efectivă ce trebuie deplasată.
Trebuie subliniat faptul că, pentru vibrații cu frecvențe joase, limitele admisibile de viteză și de amplitudine sunt atinse mai repede decât cele corespunzătoare accelerației.
Fig. 7.17 Reprezentarea grafică a raportului dintre accelerație/frecvență pentru masa de vibrat [77]
În figura de mai sus este prezentată (la scară logaritmică) dependența între accelerația imprimată elementului mobil și frecvența vibrațiilor generate, specifică mesei de vibrat.
Limita de deplasare (zona 3) a elementului mobil al mesei de vibrat (amplitudinea maximă ce poate fi atinsă) este reprezentată ca o linie dreaptă (1), cu o pantă de 12 dB/octavă.
Limita de viteza de vibrație (zona 4) este o funcție dependentă de constantele elastice ale membranelor și arcurilor din compunerea mesei de vibrat și de tensiunea maximă de ieșire a amplificatorului de putere. Aceasta viteză limită de vibrație este reprezentată în grafic ca o linie dreaptă (1), cu o pantă de 6 dB/octavă.
Limita superioară a accelerațiilor ce pot fi generate (zona 5) depinde de frecvența de rezonanță proprie a elementului mobil al mesei de vibrat.
Fig. 7.18 Reprezentare grafică a modului de obținere a unei accelerații constante pentru efectuarea de măsurători cu ajutorul mesei de vibrat [77]
Pentru realizarea unor teste și determinarea unor parametri specifici, elementul mobil al mesei de vibrat trebuie să execute mișcări cu amplitudini și accelerații foarte bine definite și controlate.
Curba de răspuns a mesei de vibrat pentru game largi de frecvențe, nu este totuși liniară sau plată și prezintă vârfuri corespunzătoare unor frecvențe de rezonanță. Alte frecvențe de rezonanță sunt specifice obiectelor ce sunt testate sau măsurate pe masa de vibrat producând și ele vârfuri pe curba de răspuns în frecvență. Din aceste cauze, semnalul de comandă și amplificarea acestui semnal, trebuie să fie modificate o dată cu schimbarea frecvenței dacă se dorește menținerea unor valori prestabilite ale vibrațiilor mesei de vibrat. În principiu se compară, în timp real, parametrii vibrației mesei de vibrat cu parametrii unor vibrații standard, prestabiliți pentru fiecare situație.
Sistemul de comandă al mesei de vibrat constă, în principiu din:
un generator de frecvențe;
un sistem de măsurare în timp real al vibratiei elementului mobil al mesei de vibrat;
un sistem de comandă control al amplificării semnalului de comandă a mișcării elementului mobil.
Un exemplu de mod de obținere a unei accelerații constante pentru mișcarea elementului mobil al mesei de vibrat, arată că valoarea accelerației, măsurată în timp real la nivelul elementului mobil al mesei de vibrat, este amplificată și aplicată cu semn schimbat, ca semnal de comandă, obținându-se în final accelerația constantă dorită.
Fig. 7.19 Amplificatorul de putere tip TIRA 2647 B pentru comanda
vibratorului TIRA Vib S513 [78]
Tensiunea constantă de comandă este generată de amplificatoare de putere având ieșire cu impedanță scăzută și reprezintă modul preferat de comandă pentru aproape toate încercările de vibrație. Curba de răspuns în frecvență pentru masa de vibrat comandată de un curent constant poate fi împărțită în trei secțiuni:
primele două secțiuni reprezintă răspunsul în frecvență a sistemului compus din arcuri (membrane elastice) și masa elementului mobil al mesei. Sistemul acesta complex are de regulă o frecvență de rezonanță proprie în jurul valorii de 20 Hz.
in secțiunea a treia apar rezonanțe axiale ale elementului mobil al mesei de vibrat definindu-se astfel limita superioară de frecvență. Această limită este de obicei mai mare de 3 kHz.
Curba de răspuns în frecvență pentru masa de vibrat comandată de un semnal cu o tensiune constantă poate fi împărțită de asemenea în trei secțiuni (figura 7.7.).
Frecvența minimă de rezonanță apare pe grafic considerabil mai mică, oferind un control mai ușor al nivelului vibrațiilor. Cu toate acestea, în gama medie de frecvențe, comanda și control în curent va fi parțial mai avantajos, mai ales în cazurile în care masa de vibrat este folosită ca generator de forță sau când aceasta este folosită fără buclă de reacție. Spre deosebire de modul de lucru cu comandă în tensiune, comanda în curent necesită o impedanță ridicată de ieșire a amplificatoarelor, care au adesea ieșiri cu impedanță selectabilă.
Fig. 7.20 Curba de răspuns în frecvență pentru masa de vibrat la o tensiune constantă și pentru curent constant [78]
Caracteristicile tehnice ale analizorului de semnale de frecvență joasă SR 785
Analizorul de semnale de frecvență joasă SR 785, este un aparat ce asigură analizarea cu precizie a dinamicii unui semnal, cu o caracterizare completă a parametrilor de semnal.
Pentru măsurătorile care implică analiza modală, diagnosticarea mașinilor, testarea vibrațiilor sau a sistemelor servomotoare, a sistemele de control sau acustice, analizorul SR785 are toate caracteristicile și specificațiile necesare pentru efectuarea completă a testelor și măsurătorilor.
Analizorul SR785 reprezintă în fapt o serie de instrumente integrate: un analizor de spectru, un analizor de rețea, un analizor de vibratii, un analizor de octave și un osciloscop.
Arhitectura unică de măsurare permite aparatului SR785 să funcționeze ca un analizor de semnale tipic, cu două canale, cu măsurători, cum ar fi spectrul de frecvențe, răspunsul în frecvență, coerență, etc.
Alternativ, aparatul poate fi configurat astfel că fiecare canal de intrare să funcționeze ca un analizor cu un singur canal cu durata proprie de eșantionare, frecvență centrală, rezoluție și funcție de mediere. Acest lucru permite să fie vizualizat un spectru de bandă largă și simultan să se poată vizualiza anumite detalii spectrale.
Aceeasi arhitectură avansată a aparatului oferă memorie și spațiu de stocare pentru semnalele măsurate și modurile de mediere sau prelucrare a acestora. Media vectorială a semnalelor, media RMS, valorile nemediate și de vârf ale măsurătorilor sunt simultan achiziționate și stocate și pot fi afișate fără a se face o nouă măsurătoare a semnalului
Fig. 7.21 Analizorul de semnal de frecvență joasă SR 785 [86]
Analizorul SR785 dispune de o gamă largă de tehnici de mediere a măsurătorilor pentru a îmbunătăți raportul semnal/zgomot. Prin alegerea mediei RMS se obține reducerea fluctuațiilor semnalului, medierea vectorială determină eliminarea zgomotului din semnalele sincrone.
Analizorul de semnal de frecvență joasă tip SR 785 permite efectuarea a 6 tipuri (grupe) de masurători ale semnalelor și anume: FFT, Correlation, Octave Analysis, Order Analysis, Time/Histogram și Swept Sine (baleiere de frecvențe).
Analizorul efectuează simultan toate calculele aferente măsurătorilor dintr-un anumit tip de măsurare a semnalelor. La finalizarea sau întreruperea procesului de măsurare a semnalelor analizorul vizualizează rezultatele obținute pentru toate măsurătorile din grupul sau setul înregistrat, făra a fi nevoie de noi date sau înregistrări. Tipul măsurătorii determină modul în care datele de intrare sunt procesate.
Astfel, în cazul FFT, datele de intrare înregistrate sunt eșantionate ca înregistrări în timp care sunt transformate în spectre de frecvențe. Pentru măsurătorile de tip Correlation spectrele de frecvență determinate sunt transformate înapoi în domeniul timp pentru ca să se poată determina corelațiile existente în structura semnalelor înregistrate.
Pentru tipul de măsurători Time/Histogram, înregistrările semnalelor în eșantionul de timp stabilit sunt prelucrate pentru a oferi o descriere statistică a semnalelor de intrare, iar pentru măsurările de tip Octave semnalele înregistrate sunt trecute printr-un set de filtre paralele și apoi mediate.
Modul de măsurare cu ajutorul baleierii în frevență (Swept-sine mode) este un mod optim de analiză a sistemelor care implică interval dinamic ridicat sau limite mari de frecvență. Amplificarea este optimizată la fiecare punct de măsurare, asigurându-se o gamă dinamică de până la 145 dB. De asemenea, este posibilă asigurarea unei rezoluții în frecvență de până la 2000 de puncte.
Stabilirea automată a limitelor de frecvență poate fi folosită simultan cu sursa automată de nivelare a semnalului de comandă, pentru a menține o comandă constantă sau la un anumit nivel semnalul de ieșire către sau de la dispozitivul supus.
Funcția de stabilire automată a rezoluției în frecvență asigură cea mai rapidă baleiere și pașii de ajustare a frecvenței de baleiere optim în cazul scanării bazate pe raspunsul DTU (Device Under Test – obiectul supus testării).
Schimbările sau modificările de fază și de amplitudine ce depășesc pragurile definite de utilizator sunt măsurate automat cu o rezoluție corespunzătoare unei frecvențe înalte, în timp ce modificările mici sunt măsurate folosind trepte de frecvență mai mari între puncte. În același timp este disponibilă în acest mod de măsurare o opțiune de baleiere liniară sau logaritmică în cadrul căreia sunt prevazute mai mult de opt decade în limitele frecvenței.
Principalii parametrii ce definesc modul de măsurare Swept-sine sunt următorii:
funcții automate:
stabilirea nivelului semnalului sursei de comandă;
stabilirea limitelor pentru efectuarea baleierii;
stabilirea rezoluției frecvenței de baleiere;
limita dinamică de măsurare: 145 dB;
offset: 0 V la ±5 V;
tensiune maximă de ieșire: ±5 V (ac+dc).
Tensiunea constantă de comandă este generată de amplificatoare de putere având o ieșire cu impedanță scăzută, fiind modul preferat de comandă pentru aproape toate încercările de vibrație. Cu toate acestea, în gama medie de frecvențe, comanda și controlul în curent va fi parțial mai avantajosă, mai ales în cazurile în care masa de vibrat este folosită ca generator de forță sau când aceasta este folosită fără buclă de reacție. Spre deosebire de modul de lucru cu comandă în tensiune, comanda în curent necesită o impedanță ridicată de ieșire a amplificatoarelor care au adesea ieșiri cu impedanță selectabilă.
Principiul de funcționare al vibrometrului laser
Un vibrometru laser este în general, un interferometru cu fascicul laser care măsoară diferentele de frecvență între faza si frecvența unei raze laser de referința interne și faza si frecvența aceleiași raze reflectate de suprafață sau punctul în care se face măsuratoarea.
Cel mai comun tip de laser, utilizat în construcția unui LDV este laserul heliu-neon, dar mai sunt utilizate și diodele laser, lasere cu fibre optice și laserii cu Nd:YAG. Raza laser de măsurare este direcționata către țintă (suprafață sau punctul căruia i se măsoară vibrația), iar raza reflectată este colectată și comparată cu raza de referință cu ajutorul unui fotodetector, de obicei, o fotodiodă.
Vibrometrele uzuale lucrează în regim de heterodina prin modularea razei de măsurare cu o frecvență cunoscută (de obicei 30-40 MHz). Această modulare în frecvență este, de obicei, generată de o celulă Bragg sau un modulator acousto-optic. Schema de principiu a unui vibrometru cu laser tipic este prezentată în figură următoare:
Fig 7. 22 Schema de principiu al vibrometrului laser
Fasciculul emis de laser, care are o frecvență f0, este împărțit într-o rază de referință și un fascicul laser de măsurare. Divizarea se face cu un separator optic de fascicule (beamsplitter). Fascicul laser de măsurare trece prin celula Bragg, care adaugă o schimbare de frecvență fb. Acest fascicul de măsurare (cu frecvență f0+fb) este direcționat apoi către suprafața țintă. Vibrația suprafeței tinta determină o modificare Doppler a fasciculului reflectat, adăugându-se la frecventa inițială a acestuia și modulația cu frecvența Doppler :
unde :
v (t) – este viteza țintei în funcție de timp;
α – este unghiul dintre raza laser și vectorul viteză;
λ – este lungimea de undă a luminii.
Raza laser reflectată de către suprafața țintă este captată de vibrometrul laser și dirijată către fotodetector. Aceasta are o frecvență egală cu suma f0+fb+fd.
La fotodetector se aplică simultan și raza laser de referință, care are frecvența f0. Frecvența f0 inițială a razei laserului este foarte mare (fo>1014 Hz), fiind mai mare decât capacitatea de a răspunde în frecvența a detectorului.
Detectorul va răspunde, cu precădere la bătăile în frecvența dintre cele două raze (de referință și reflectată), care este la fb + fd (de obicei, în gama de zeci de MHz).
Semnalul de ieșire din fotodetector este un semnal standard cu modulație în frecvență (FM), cu frecvența indusă de celulă Bragg ca frecvență purtătoare, și cu frecvență Doppler ca frecvență de modulație. Acest semnal poate fi demodulat pentru a obține viteza în funcție de timp a suprafeței sau punctului ce vibrează.
Anexa 1 Prezentarea desenelor de executie al standului electromagnetic pentru aplicatii MEMS
Comunicarea cu Controlerul
Bibliografie
[1] http://www.scribd.com/doc/70106129/MICROSISTEME-MECATRONICE-II
[2] Marius Popa, Cristinel Ilie, Componente și sisteme microelectromecanice (MEMS) realizate prin tehnologii specifice, Obiectiv: Procesarea microstructurilor mecanice prin tehnologie LIGA, CN 5101/2009, Lucrare faza 2.
[3] Hadas, Z., Singule, V., Ondrusek, C., Kluge, M.: “Simulation of Vibration Power Generator”, Recent Advances în Mechatronics, Springer Berlin Heidelberg New York, 2007, pp. 350-354
[4] Raghunathan, V.; Chou, P.H., "Design and Power Management of Energy Harvesting Embedded Systems," Low Power Electronics and Design, 2006. ISLPED'06. Proceedings of the 2006 Internațional Symposium, pp.369-374, 4-6 Oct. 2006
[5] Fry D N, Holcomb D E, Munro J K, Oakes L C, and Maston M J, “Compact Portable Electric Power Sources,” Report, Oak Ridge Național Laboratory, ORNL/TM-13360, 1997.
[6] Beeby S P, Tudor M J and White N M, “Energy harvesting vibration sources for Microsystems applications,” Journal of Measurement Science and Technology, 2006, v 17, pp 175-195.
[7] Sodano H A, Inman D J, and Park G., “A Review of Power Harvesting from Vibration Using Piezoelectric Materials,” The Shock and Vibration Digest, 2004, v 36, pp. 197–205.
[8] Umeda M, Nakamura K, and Ueha, S, “Energy Storage characteristics of a piezo-generator using impact induced vibration”, Journal of Applied Physics, 1997, v 36, pp 3146-3151.
[9] Glynne-Jones P, El-hami M, Beeby S P, James E P, Brown A D, Hill M and White N M, “A vibration-powered generator for wireless Microsystems”, Proceedings on Smart Structures and Microsystems în Internațional Symposium, HongKong, October 2000.
[10] Callaway, Jr and Edgar H, Wireless Sensor Networks, Boca Raton, Florida: Auerbach Publications, CRC Press LLC, 2004.
[11] Platt S R, Farritor S, Garvin K and Haider H, “The use of piezoelectric ceramics for electric power generation within orthopedic implants,” IEEE/ASME Transactions Mechatron,
2005, v 10, pp 455–461.
[12] [Roundy S J , 2003a Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus for vibration to electricity conversion, PhD Thesis, The University of California, Berkeley
[13] [ Roundy S, Wright P and Pister K, “Micro-electrostatic vibration-to-electricity converters,” Proceedings, IMECE, 2002, pp 1–10
[14] D. Ioan. Modelarea Dispozitiveleor Elctromagnetice. http://www. lmn.pub.ro/~daniel/cursmde.pdfhttp://www.lmn.pub.ro/ daniel/cursmde.pdf, 2000.
[15] Ghercă R., 2012d, Fenomene și procese electromagnetice și electromecanice la conversia prin inducție a energiei vibrațiilor, Raport științific, Universitatea Tehnică Gh. Asachi, Iași
[16] Amirtharajah R, Chandrakasan A, 1998, Self-Powered Signal Processing Using Vibration Based Power Generation. IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 33, No. 5, pp. 687- 695.
[17] Beeby S P, Torah R N, Tudor M J, 2007 “A micro electromagnetic generator for Vibration energy harvesting”, Journal of Micromechanics and Microengineering,17, p. 1257-1265.
[18] Williams C B, Shearwood C, Harradine M A, Mellor P H, Birch T S, Yates R B, 2001, Development of an electromagnetic micro-generator, IEE Proc. Circuits Devices Syst.
148, pp. 337–342
[19] Domme D.D., 2008, Experimental and Analytical Characterization of a Trandsducer for
Energy Harvesting Through Electromangetic Induction, Master Thesis, Polytechnic Institute of Virginia.
[20] http://www.mec.tuiasi.ro/diverse/MICROSISTEME%20MECATRONICE.pdf actuatori
[21] Electromagnetic Linear Actuator – Design, Manufacture and Control
https://eprints.usq.edu.au/8415/1/Grimm_2009_Main_Project.pdf
[22] Linear electromagnetic actuator modeling for optimization of mechatronic and adaptronic systems Oriol Gomis-Bellmunta, , , Samuel Galceran-Arellanoa, Antoni Sudrià-Andreua, Daniel Montesinos-Miraclea, L. Flavio Campanileb
[23] Xiao, Z.X., Wu, X.T., Peng, W.Y., Farmer, K.R., 2003. Analytical behavior of rectangular electrostatic torsion actuators with nonlinear spring bending. Journal of Microelectromechanical Systems 12, 929–936
[24]http://telecom.etc.tuiasi.ro/telecom/staff/dionescu/discipline%20predate/_referate_mems/Microactuatori%20MEMS%20cu%20mecanism%20de%20ac%C5%A3ionare%20%20magneto-mecanic_Dombici_Ionut.pdf
[25] Actuatori neconventionali in mecatronic http://www.mec.tuiasi.ro/diverse/Curs_Actuatori_Neconv.pdf
[26] Electromagnetic Linear Actuator – Design, Manufacture and Control
https://eprints.usq.edu.au/8415/1/Grimm_2009_Main_Project.pdf
[27] D. Ioan. Modelarea Dispozitiveleor Elctromagnetice. http://www. lmn.pub.ro/~daniel/cursmde.pdfhttp://www.lmn.pub.ro/ daniel/cursmde.pdf, 2000.
[28] Olaru R., Ghercă R., Petrescu C., 2013b, Analysis, design and optimization of a vibration energy harvester using permanent magnets, Journal of Intelligent Material Systems and Structures.
[29] Atwood B, Warneke B and Pister K S J, “Smart Dust moțe forerunners,” Proceedings of 14th Annual Internațional Conference on Microelectromechanical Sytsems, 2001, pp 357–360
[30] Beeby S P, Tudor M J and White N M, “Energy harvesting vibration sources for Microsystems applications,” Journal of Measurement Science and Technology, 2006, v 17, pp 175-195.
[31] Staley M E and Flatau A B, “Characterization of energy harvesting potențial of Terfenol-D and Galfenol,”Proceedings of SPIE, 2005, pp 630-640.
[32] Fry D N, Holcomb D E, Munro J K, Oakes L C, and Maston M J, “Compact Portable Electric Power Sources,” Report, Oak Ridge Național Laboratory, ORNL/TM-13360, 1997.
[33] Umeda M, Nakamura K, and Ueha, S, “Energy Storage characteristics of a piezo-generator using impact induced vibration”, Journal of Applied Physics, 1997, v 36, pp 3146-3151.
[34] Glynne-Jones P, El-hami M, Beeby S P, James E P, Brown A D, Hill M and White N M, “A vibration-powered generator for wireless Microsystems”, Proceedings on Smart Structures and Microsystems în Internațional Symposium, HongKong, October 2000.
[35] L.K. Lagorce, et.all., "Magnetic Microactuators Based on Polymer Magnets", IEEE J. Microelectromesh. Syst., Vol. 8, No. 1, 1999, pp. 2-9,
[36] M. Hamano, “Overview and Outlook of Bonded Magnets in Japan”, J. Alloys and
Compounds, 222, pp. 8-12, 2001
[37] O.Cugat et. al, "Deformable Magnetic Mirror for Adaptive Optics", Proc. IEEE MEMS 2000, Myyazaki, Japan, 2000, pp 485-490 a.s.o.
[38] H. Guckel, “Progress in Magnetic Microactuators”, Mycrosystem Technologies, 5,
pp. 59-61, 1998
[39] A.M. Morega, N.Tanase, M Popa, M. Morega si J.B. Dumitru-Numerical Simulation of an Electromagmetoc Bending-Mode Cantilever Microactuator publicat in cadrul "The 8th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering" May 23-25, 2013, ISBN 978-1-4673-5978-8 Bucuresti
[40] Morega A.M. Tanase, N; Morega M; comeaga, D, Ilie C., Bending Model Cantilever Actuators for Micro-Electromechanical Systems, Published in: The 9th International Symposium on Advanced Topics in electrical Engineering (ATEE), 2015, 7-9 May pag. 556-561, Bucharest, INSPE Accesion Number: 15240863, Doi: 10.1109/ATEE.2015.7133869.
[41] C.I. Mocanu, electromagnetic field Theory, 2nd ed. in Romania, rd.D.P. bucuresti 1982.
[42] Curs starea de tensiune tridimensionala in jurul unui punct. tensori caracteristici in analiza liniara si neliniara. studiul static http://documents.tips/download/link/starea-de-tensiune-3d-in-jurul-unui-punct
[43] Marius Popa, Cristinel Ilie, Componente și sisteme microelectromecanice (MEMS) realizate prin tehnologii specifice, Obiectiv: Procesarea microstructurilor mecanice prin tehnologie LIGA, CN 5101/2009, Lucrare faza 2.
[44] http://www.charmilles.ro/pages/eroziune.htm
[45] Ovidiu Mălăncrăvean Aplicații ale laserului în știință și tehnică , A XII-a Conferința națională multidisciplinara, profesorul Dorin Pavel-fondatorul hidroenergeticii românești, Sebeș 2012
[46] Octavian Dontu Tehnologii și sisteme integrate de fabricație pentru mecatronica, Editura PRINTECH, 2009
[47] Ioan Dancus Fizică și tehnologia laserelor Note de curs, UPB, 2015.
[48] O. Donțu, Tehnologii de prelucrare cu laser, editura Tehnică, București, 1985
[49] S. Antonescu, G. Ionașcu Tehnologia Structurilor Micromecanice, Editura Tehnică, București, 1995.
[50] J. W. Judy, “Microelectromechanical Systems (MEMS): Fabrication, Design and
Applications”, Smart Mater. Struct., 10, pp. 1115-1134, 2001
[51] Schulz, J., Study concerning metal microstructure processing using LIGA technology, 2008
[52] D. Halliday, R. Resnick, Fizica, Vol.ÎI, E.D.P. București, 1975.
[53] DWL 66FS Reference Manual, , 2007, Heidelberg Instruments
[54] DWL 66FS System Operation, 2007, Heidelberg Instruments, pag. 23-50
[55] Conversion Job Manager version 1.42, 2007, Heidelberg Instruments, pag. 5–19
[56] NANO SU8 – Negative Tone Photoresist, Technical specifications, 2002, Micro Chem
[57] Ionașcu, G., Alexandrescu, N., Bogatu, L.,Manea, E., Cernica, I., Ciulacu,T., Advanced SU-8 Photoresist Technology for MEMS , 2007, Journal of Mecatronics no.2 ISSN 1583-7653
[58] C. Ilie, M. Popă, P. Prioteasa, I. Chiriță, N. Tănase, Application of LIGA Technology for the Development of Micromechanical Systems, UPB Scientific Bulletin , Vol 73, Iss 2, 2011, ISSN 1454-2358, p. 137-150.
[59] Y.-J. Chuang, F.-G. Tseng, J.-H. Cheng, W.-K. Lin, A novel fabrication method of embedded microchannels by using SU-8 thick-film photoresists, Sens. Actuators Phys. A 103 (2003) 64–69.
[60] Hui Yu, Biao Li, Xin Zhang, Flexible fabrication of three-dimensional multi-layered
microstructures using a scanning laser system, Sensors and Actuators A 125 (2006) 553–564
[61] T. Chin, “Permanent Magnet Films for Applications in Micromechanical Systems”,
J. Magn. Magn. Mater., 209, pp. 75-79, 2000.
[62] L. K. Lagorce, O. Brand, and M. G. Allen, “Magnetic Microactuators Based on
Polymer Magnets”, IEEE J. Microelectromech. Syst., Vol. 8, No. 1, pp.2-9, 1999.
[63] B. Wagner, M. Kreutzer, and W. Benecke, “Permanent Magnet Micromotors on
Silicon Substrate”, IEEE J. Microelectromech. Syst., Vol. 2, No. 1, pp. 23-29, 1993.
[64] K. W. Oh and C. H. Ahn, “A New Flip-Chip Bonding Technique Using
Micromachined Conductive Polymer Bumps”, IEEE Trans. Adv. Packaging, Vol.
22, No. 4, pp. 586-591, 1999.
[65] B. Wagner, and W. Benecke, “Microfabricated Actuator with Moving Permanent
Magnet”, Proc. 1991 IEEE MEMS Conf., Nara, Japan, 1991, pp 27-32.
[66] B. Wagner, M. Kreutzer, and W. Benecke, “Permanent Magnet Micromotors on
Silicon Substrate”, IEEE J. Microelectromech. Syst., Vol. 2, No. 1, pp. 23-29, 1993.
[67] L. K. Lagorce, O. Brand, and M. G. Allen, “Magnetic Microactuators Based on
Polymer Magnets”, IEEE J. Microelectromech. Syst., Vol. 8, No. 1, pp.2-9, 1999.
[68] T. M. Liakopoulos, W. Zhang, and C. H. Ahn, “Electroplated Thick CoNiMnP
Permanent Magnet Arrays for Micromachined Magnetic Device Applications”,
Proc. 1996 IEEE MEMS Conf., San Diego, 1996, pp 79-84.
[69] M. Ruan and J. Shen, “Latching Micro Magnetic Relays with Multistrip Permalloy
cantilevers”, Proc. 2001 IEEE MEMS Conf., Interlaken, Switzerland, 2001, pp 224-227.
[70] J. W. Judy, R. S. Muller, and H. H. Zappe, “Magnetic Microactuation of Polysilicon Flexure Structures”, J. Microelectromech. Syst., Vol. 4 No. 4, pp. 162-169, 1995.
[71] Y. W. Yi, and C. Liu, “Magnetic Actuation of Hinged Microstructures”, J.
Microelectromech. Syst., Vol. 8 No. 1, pp. 10-17, 1999.
[72] C. H. Ahn and M. G. Allen, “Micromachined Planar Inductors on Silicon Wafers
for MEMS Applications”, Transactions on Industrial Electronics, Vol. 45 No. 6,
pp. 866-876, 1998.
[73] 32. S. Kawahito, Y. Sasaki, M. Ashiki, and T. Nakamura, “Micromachined Solenoids
for Highly Sensitive Magnetic Sensors”, Proc. Transducers ‘91, San Francisco, CA,
1991, pp. 1077-1080.
[74] W. Zhang, and C. H. Ahn, “A Bi-directional Magnetic Micropump on a Silicon
Wafer”, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, 1996, pp. 94-97.
[75] S. Parhfer, G. Gieres, J. Wecker, and L. Schultz, “Growth Characteristics and
Magnetic Properties of Sputtered Nd-Fe-B thin films”, J. Magn. Magn. Mater., 163,
pp. 32-38, 1996
[76] D. Kim, K. Aoki, and O. Takano, “Soft Magnetic Films by Electroless Ni-Co-P
Plating”, J. Electrochem. Soc., Vol. 142, No. 11, pp. 3763-3767, 1995.
[77] http://www.swissvacuum.com/products/Vibration_systems/Tira.pdf
[78] http://www.tira-gmbh.com/en/vibration-test-system/amplifiers/analog-amplifiers/
[79] http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/Manuals/SR785m.pdf
LISTA DE FIGURI
1. Componentele unui microsistem MEMS………………………………………………………………………4
1. Procesarea semnalului și a informației într-un microsistem ……………………………………………6
2.1 Realizarea unui generator de recuperare a energiei în domeniul mecatronic……………………..13
2.2 Model schematic al unui sistem de recuperare a energiei din mediul înconjurător …………….15
3.1 Structura actuatorilor…………………………………………………………………………………………………20
3.2 Integrarea unui microactuator într-un microsistem ……………………………………………………….21
3.3 Reprezentarea transformării energiilor ………………………………………………………………………..23
3.4 Componentele definitorii ale micromecatronicii …………………………………………………………..24
3.5 Actuator electrostatic ………………………………………………………………………………………………..27
3.6 Reprezentarea actuatorilor electrostatici utilizand forța de atracție electrostatică………………27
3.7 Actuatorul electrostatic plan paralel ……………………………………………………………………………28
3.8 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării perpendiculare …………………………..29
3.9 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării laterale ……………………………………..29
3.10 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării dielectricului……………………………30
3.11 Configurația actuatorului electrostatic în cazul mișcării combinate ……………………………….31
3.12 Actuatori electrostatici pentru generarea mișcării de translație ……………………………………..32
3.13 Actuatori electrostatici rotativi …………………………………………………………………………………32
3.14 Platformă mobilă pe bază de levitație electrostatică……………………………………………………..33
3.15 Exemplu de actuator electrostatic ……………………………………………………………………………..34
3.16 Acționare magnetică ………………………………………………………………………………………………38
3.17 Clasificarea materialelor pentru realizarea magnetilor …………………………………………………39
3.18 Exemple de actuatori magnetici Lorent ……………………………………………………………………..40
3.19 Forța Lorentz în câmp constant ………………………………………………………………………………..40
3.20 Actuator liniar pe bază de levitație magnetică …………………………………………………………….40
3.21 Actuator electromagnetic liniar ………………………………………………………………………………..41
3.22. Ansamblu monolithic MEMS flip-chip cu senzori și actuatori …………………………………….41
3.23 Alinierea domeniilor magnetice și modificarea dimensiunilor ………………………………………42
3.24 Deformarea unei bare din material magnetostrictiv …………………………………………………….43
3.25 Diagrama de interacțiune a mărimilor mecanice si magnetice ……………………………………..44
4.1 Mărimile locale ale campului electromagnetic ……………………………………………………………..45
4.2 Mărimile locale ale corpurilor ……………………………………………………………………………………47
4.3 Mărimile caracteristice ale electromagnetismului …………………………………………………………48
4.4 Schema de principiu a conversiei electrostatice ……………………………………………………………52
4.5 Circuitul electric echivalent conversiei electrostatice ……………………………………………………52
4.6 Arhitectura generală a unui sistem de recuperare a energiei din vibrații …………………………..53
4.7 a) Schema de principiu a conversiei piezoelectrice………………………………………………………..54
4.8 Schema de principiu a unui generator electromagnetic cu resort …………………………………….55
4.9 Schema generatorului electromagnetic cu consolă ………………………………………………………..56
4.10 Secțiune transversală a generatorului ………………………………………………………………………..56
4.11 Schema de principiu a generatoarelor…………………………………………………………………………57
4.12 Schema generală a unui sistem oscilant pentru recuperarea energiei din vibrații……………..59
4.13 Sistemul echivalent unui generator electromagnetic vertical ………………………………………..62
5.1 Modelul 3D CAD al actuatului cu lamele elastice realizat in softul SolidWorks ………………67
5.2 Desenul de executie al actuatului cu lamele elastice ……………………………………………………..67
5.3 Importarea modelului CAD 3D realizat in softul SolidWorks ……………………………………….68
5.4 Declararea constantei ………………………………………………………………………………………………..69
5.5 Definirea materialelor pentru fiecare element din ansamblul 3D …………………………………….69
5.6 Starea de tensiune pe cubulețul elementar ……………………………………………………………………74
5.7 Adaugarea problemei de câmp electrocinetic ……………………………………………………………….75
5.8 Adăugarea condițiilor limită ………………………………………………………………………………………75
5.9 Condițiile inițiale pentru problema de câmp electrocinetic …………………………………………….76
5.10 Discretizarea modelului analizat, etapa de meshare …………………………………………………….76
5.11 Definirea condițiilor inițiale pentru problema de câmp magnetic ………………………………….77
5.12 Introducerea datelor de intrare pentru rezolvarea problemei de câmp magnetic ………………78
5.13 Adăugarea densității de curent ………………………………………………………………………………….79
5.14 Reprezetarea graficului ce indica potentialul electric …………………………………………………..79
5.15 Reprezentarea valorilor cu densitatea curentului …………………………………………………………80
5.16 Adaugarea problemei structurale Solid Mechanics ……………………………………………………..80
5.17 Adăugarea condițiilor inițiale de încastrare ………………………………………………………………..81
5.18 Reprezentarea grafică a potențialului electric …………………………………………………………….81
5.19 Reprezentarea fluxului magnetic ……………………………………………………………………………..82
5.20 Reprezentarea densității fluxului magnetic ………………………………………………………………..82
5.21 Reprezentarea direcției forței electromagnetice ce acționează asupra actuatorului …………83
5.22 Reprezentarea deformării lamelelor sub acțiunea forței ……………………………………………….83
5.23 Reprezentarea valorilor extreme ale densității de curent pe suprafața bobinei ………………..84
5.24 Proiectarea ansamblului in software-ul SolidWorks ……………………………………………………85
5.25 Declararea parametrilor globali ………………………………………………………………………………..86
5.26 Reprezentarea ansamblului in 2D ……………………………………………………………………………..87
5.27 Declararea limitelor pentru magnet …………………………………………………………………………..88
5.28 Declararea limitelor pentru continuitatea câmpului magnetic ………………………………………88
5.29 Setarea condițiilor limită pentru magnet …………………………………………………………………….89
5.30 Setarea condițiilor limită pentru bobină ……………………………………………………………………..89
5.31 Declararea domeniilor prin care se execută mesharea mobilă ……………………………………….90
5.32 Declararea zonei de meshare mobilă pe direcția"RZ" …………………………………………………..90
5.33 Declararea zonei de meshare statică, impunerea condițiilor limită ………………………………..91
5.34 Parametrizarea raportului frecvență/timp ………………………………………………………………….92
5.35 Reprezentarea fluxului magnetic ……………………………………………………………………………..92
5.36 Reprezentarea fluxului magnetic in raport cu timpul …………………………………………………..93
5.37 Valoarea tensiunii la bornele bobinei cu 1 spiră ………………………………………………………….93
5.38 Tabel cu valorile de tensiune recuperata la bornele bobinei in raport cu timpul ………………94
5.39 Analiza modală structurală a frecvențelor proprii ……………………………………………………….95
6.1. Structuri de test pentru determinarea caracteristicilor de material ………………………………….98
6.2. Principalii pași pentru obținerea de repere prin tehnologia LIGA …………………………………103
6.3. Spectrul unei lămpi cu mercur …………………………………………………………………………………103
6.4. Structura deficitară a șablonului datorată difracției …………………………………………………….104
6.5. Elementele care influențează electrodepunerea ………………………………………………………….106
6.6. Ansamblu suport cu fotorezist SU8 și Ni depus galvanic ……………………………………………107
6.7. Îndepărtarea fotorezistului SU8 folosind radicalii liberi ……………………………………………..108
6.8. Sistem optic pentru litografie laser …………………………………………………………………………..109
6.9. Transferul desenului pe suport – schema de principiu ……………………………………………….111
6. Structură de microbobină, 40μm lățimea spirei …………………………………………………………112
6. Spirală, 20μm grosime; reprezentare pentru conversie în format LIC ………………………….112
6. Configurarea MAP în linie de comandă …………………………………………………………………..113
6.. Pașii pentru realizarea expunerii prin fotolitografie laser …………………………………………..114
6.. Detaliu cu structură cu spire de dimensiuni mărite datorită unei supraexpuneri…………….116
6.. Detaliu cu structură cu spire rupte ………………………………………………………………………….116
6.. Structuri corect expuse, exfolieri și deformări dar cu urme departicule străine …………….117
6.. Detaliu cu structuri corect expuse, coapte și developate …………………………………………..117
6.. Microbobină înainte, în timpul și după procesul de îndepărtare a fotorezistului SU8…….118
6.. Determinarea încheierii procesului de înlăturare a SU8 …………………………………………….121
6.. Microstructuri de test în cursul procesului de extragere mecanică de pe substrat ………….123
6.. Imagini reprezentând un canal și o microstructură corect executate ……………………………124
6.22. Structură cu piramide realizate cu fotorezist pozitiv AZ ……………………………………………125
6.23. Determinări dimensionale pentru piramidele realizate cu fotorezist pozitiv………………….126
6.24. Schema diagramei traseului razei de lumina care trece printr-un specimen ………………….127
6.25. Distribuția în adâncime a puterii laser în funcție de diferite rate de repetiție ………………..128
6.26. Imagine cu laserul de scris înclinat ………………………………………………………………………..129
6.27. Procesul de fabricație pentru canale încorporate ………………………………………………………130
6.28. Poze SEM pentru matrice micropiloni …………………………………………………………………….132
6.29. Un exemplu de utilizare a unui magnet permanent montat într-un dispozitiv MEMS…….134
6.30. Un exemplu de utilizare a unei tehnici de serigrafiere……………………………………………….135
6.31. Un exemplu de proiectare a unui magnet aplicat cu rășină epoxidică…………………………..135
6.32. Forma anizotropă într-un elipsoid……………………………………………………………………………140
6.. Reprezentarea modelului proiectat tip matrice …………………………………………………………142
6.34. Vedere schematică a unui magnet individual într-o matrice ………………………………………142
6.35. Reprezetarea etapelor de fabricare a magneților permanenți ……………………………………..143
6.36. Sistemul de galvanizare cu un agitator cu palete și magnet din ceramică …………………….143
6.37. Reprezentarea micrografiilor electronice,…………………………………………………………………144
6.38. Spectrul de energie de dispersie al unui magnet permanent galvanizat ……………………….145
6.39. Analiză prin difracție cu raze X a magneților permanenți ………………………………………….146
6.40. Reprezentarea histerezisului cu magneți permanenți fără câmp magnetic extern…………..146
6.41. Reprezentarea nivelului de coercivitate în funcție de proiectarea magneților ……………….147
6.42. Reprezentarea unei microscopi magnetice ………………………………………………………………148
6.43. Reprezentarea direcției de magnetizare pe structura de cristal hexagonală …………………..149
6.44. Compararea celor două bucle de histerezis ………………………………………………………………149
6.45. Ilustrare de proiectare a matricei …………………………………………………………………………….150
6.46. Reprezentarea etapelor de fabricație ……………………………………………………………………….150
6.47. Reprezentarea microscopica a unei matrice cu magneți prin turnare …………………………..152
6.48. Grafic reprezentant o bucla de histerezis ………………………………………………………………..152
6.. Grafic reprezentand energia stocata dintr-un magnet permanent ………………………………..152
6.. Structura unui microactuator în consolă ………………………………………………………………….154
6.. Reprezentarea unui microactuator în consolă …………………………………………………………..154
6.52. Modelul schematic pentru operația de tăiere cu fir ……………………………………………………155
6.53. Etapa de programare a mașinii de electroeroziune cu fir realizat la ICPE ……………………155
6.54. Poziționarea materialului brut pentru realizarea operației de tăiere cu fir …………………….156
6.55. Procesul de execuție a magnetilor permanenți …………………………………………………………156
6.56. Etapa finală a operației de tăiere cu fir ……………………………………………………………………157
6.57. Produsul finit, al magneților permanenti prelucrați prin electroeroziune ……………………..158
7.29. Vibratorul TIRA Vib S513 …………………………………………………………………………………..159
7.30. Digrama caracteristică frecvență/acceletație pentru vibratorul TIRA …………………………160
7.31. Principiu de realizare si functionare a mesei de vibrat ……………………………………………..160
7.32. Reprezentarea grafica a raportului dintre acceleratie/frecventa pentru masa de vibrat …..161
7.33. Reprezentare grafica a modului de obtinere a unei acceleratii constante ……………………..162
7.34. Amplificatorul de putere tip TIRA 2647B ……………………………………………………………..162
7.35. Curba de raspuns in frecventa pentru masa de vibrat ……………………………………………….163
7.36. Analizorul de semnal de frecventa joasa …………………………………………………………………164
7.9. Schema de principiu al vibrometrului laser ……………………………………………………………….166
7.10. Proiectarea unui stand electromagnetic destinat aplicatiilor MEM ……………………………..168
7.11. Măsurarea răspunsului electromecanic ……………………………………………………………………169
7.12. Măsurarea răspunsului mecanic ……………………………………………………………………………..169
7.13. Răspunsul global al produsului finit ………………………………………………………………………170
7.14. Proiectarea Thorlabs-ului si fixarea pe vibratorul TIRA Vib S 513 …………………………….170
7.15. Fixarea motoarelor pe suportul de pozitionare al standului ………………………………………..171
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Programul Operațional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Proiect POSDRU/159/1.5/S/138963 – Doctoranzi în sprijinul inovării și… [304202] (ID: 304202)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.