ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................................... 6
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
АСПЕКТОВ СОЗДАНИЯ МЭМС-АКТЮАТОРОВ ...................................................................... 19
1.1 Актюаторы для МЭМС-переключателей................................................................................. 19
1.2 Особенности электростатического актюатора и методы улучшения ..................................... 27
рабочих характеристик .................................................................................................................... 27
1.3 Актюаторы для микрофлюидных систем ................................................................................ 36
1.4 Особенности электрохимического актюатора и методы улучшения ..................................... 42
рабочих характеристик .................................................................................................................... 42
1.5 Выводы по главе 1 .................................................................................................................... 46
ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МЭМС-АКТЮАТОРОВ И
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ........... 47
2.1 Технология изготовления актюаторов ..................................................................................... 47
2.2 Методы измерения параметров конструкции, морфологии поверхности и элементного
состава материала ............................................................................................................................ 51
2.3 Методы измерения резонансных характеристик ..................................................................... 54
2.4 Методы измерения диапазона перемещения ........................................................................... 61
2.5 Выводы по главе 2 .................................................................................................................... 65
ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ ДЛЯ МЭМС-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ ..... 67
3.1 Актюатор на основе кантилевера с увеличенным отношением длины к толщине ................ 67
3.1.1 Проектирование актюатора ......................................................................................... 68
3.1.2 Изготовление актюатора .............................................................................................. 72
3.1.3 Рабочие характеристики .............................................................................................. 75
3.2 Актюатор с механизмом активного размыкания ..................................................................... 79
3.2.1 Конструкция и принцип работы .................................................................................. 79
3.2.2 Расчет напряжения срабатывания ................................................................................ 80
3.2.3 Изготовление актюатора .............................................................................................. 85
3.2.4 Измерение рабочих характеристик .............................................................................. 88
3.3 Модифицированный актюатор с механизмом активного размыкания ................................... 90
3.3.1 Конструкция и технология изготовления .................................................................... 90
3.3.2 Напряжение срабатывания........................................................................................... 96
3.3.3 Быстродействие .......................................................................................................... 100
3.3.4 Контактное сопротивление и ресурс ......................................................................... 102
3.3.5 Деградация контактов ................................................................................................ 105
3.4 Актюатор с увеличенной развиваемой силой ........................................................................ 108
3.4.1 Конструкция и расчет рабочих характеристик ......................................................... 108
3.4.2 Изготовление актюатора ............................................................................................ 112
3.4.3 Напряжение срабатывания, резонансные частоты и контактное сопротивление.... 115
3.4.4 Работа актюатора при разной силе прижима ............................................................ 118
3.5 Выводы по главе 3 .................................................................................................................. 120
ГЛАВА 4 КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ И
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ .................................. 122
4.1 Алюминий и его сплавы как структурные материалы подвижного электрода .................... 122
4.1.1 Изготовление и анализ тестовых структур ............................................................... 123
4.1.2 Поверхность и боковая стенка пленок ...................................................................... 125
4.1.3 Удельное сопротивление пленок ............................................................................... 129
4.1.4 Резонансная частота тестовых структур ................................................................... 130
4.1.5 Добротность тестовых структур ................................................................................ 131
4.2 Метод изготовления подвижного электрода с заданным изгибом ....................................... 135
4.2.1 Описание метода ........................................................................................................ 136
4.2.2 Демонстрация метода на примере кантилеверов из хрома....................................... 140
4.3 Миграция адгезионного материала под действием электрического поля ............................ 145
4.3.1 Условия наблюдения миграции ................................................................................. 145
4.3.2 Миграция в зазоре между электродами актюатора ................................................... 146
4.3.3 Модификация поверхности SiO2 вблизи электродов ................................................ 150
4.3.4 Температура и электрическое поле в актюаторе ...................................................... 152
4.3.5 Обсуждение результатов ............................................................................................ 153
4.4 Выводы по главе 4 .................................................................................................................. 156
ГЛАВА 5 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ ДЛЯ МИКРОФЛЮИДНЫХ СИСТЕМ 160
5.1 Метод увеличения быстродействия электрохимического актюатора .................................. 160
5.1.1 Конструктивно-технологические основы создания актюатора ................................ 160
5.1.3 Циклическая работа актюатора ................................................................................. 169
5.1.4 Деградация электродов, энергопотребление и время отклика ................................. 171
5.2 Связь рабочих характеристик актюатора с параметрами управляющего сигнала ............... 173
5.2.1 Зависимость перемещения мембраны от частоты и амплитуды импульсов ........... 173
5.2.2 Работа актюатора на низкой циклической частоте ................................................... 174
5.2.3 Работа актюатора на высокой циклической частоте ................................................ 176
5.2.4 Ресурсные испытания актюатора .............................................................................. 179
5.3 Методы улучшения рабочих характеристик актюатора с титановыми электродами .......... 182
5.3.1 Конструктивные и технологические методы ............................................................ 182
5.3.2 Испытание актюатора в режиме одиночной серии импульсов ................................ 185
5.3.3 Циклическая работа актюатора без использования однополярных импульсов ...... 189
5.3.4 Циклическая работа актюатора с использованием однополярных импульсов........ 192
5.4 Метод стабилизации диапазона перемещения актюатора с титановыми электродами ....... 197
5.4.1 Описание метода ........................................................................................................ 198
5.4.2 Восстановление работоспособности окисленных электродов ................................. 200
5.4.3 Поддержание работоспособности неокисленных электродов .................................. 204
5.4.4 Окисление кольцевых электродов ............................................................................. 206
5.4.5 Окисление прямоугольных электродов ..................................................................... 208
5.4.6 Повреждение электродов в ходе работы ................................................................... 210
5.5 Актюатор с электродами из рутения ...................................................................................... 213
5.5.1 Испытание актюатора в режиме одиночной серии импульсов ................................ 213
5.5.2 Длительная работа актюатора в циклическом режиме ............................................. 214
5.5.3 Деградация электродов .............................................................................................. 216
5.5.4 Испытание актюатора под нагрузкой ........................................................................ 218
5.5.5 Работа актюатора на низкой частоте импульсов ...................................................... 219
5.6 Выводы по главе 5 .................................................................................................................. 224
ГЛАВА 6 ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ
АКТЮАТОРОВ ............................................................................................................................. 228
6.1 Деградация платиновых электродов ...................................................................................... 228
6.1.1 Однополярный электролиз ........................................................................................ 228
6.1.2 Импульсы напряжения переменной полярности ...................................................... 231
6.1.3 Выявление причин модификации поверхности электродов ..................................... 233
6.2 Изменение показателя преломления жидкости над электродами ........................................ 235
6.3 Формирование взрывающихся микропузырей ...................................................................... 239
6.4 Работа актюатора с использованием взрывов ....................................................................... 246
6.4.1 Быстродействие и диапазон перемещения ................................................................ 246
6.4.2 Развиваемая сила ........................................................................................................ 249
6.4.3 Циклическая работа актюатора ................................................................................. 253
5
6.4.4 Износ актюатора ......................................................................................................... 254
6.4.5 Энергопотребление .................................................................................................... 255
6.5 Выводы по главе 6 .................................................................................................................. 257
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .................................................................................. 259
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...................................................................... 263
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................................................. 289
