Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов проектирования и технологий создания интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС)

Докладчик: Суворов Дмитрий Владимирович

Должность: Начальник УОНИ, к.т.н.

Цель проекта:
Задачей проекта является разработка методов проектирования и технологий создания нового класса интегрированных микроэлектромеханических (МЭМС), коммутаторов средней мощности. Конечным продуктом проекта являются магнитоуправляемые МЭМС-коммутаторы обеспечивающие прямую коммутацию нагрузки. В ходе реализации проекта будут созданы методы проектирования и создания магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, технология нанесения эрозионно-стойких покрытий. По результатам проекта будет подготовлен проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка конструкции микроэлектромеханических магнитоуправляемых коммутаторов средней мощности».

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами проекта являются:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР;
- результаты патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96;
- математическая модель магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов, результаты математического моделирования и расчета конструкции магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов;
- методы электрохимического осаждения элементов конструкции магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов;
- геометрия конструкции интегрированных магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов;
- результаты исследования влияния различных технологических дефектов на точность МЭМС различных видов;
- экспериментальные образцы интегрированных МЭМС (магнитоуправляемые MЭМС-коммутаторы), объединяющих функции различных элементов (сенсорных, управляющих и исполнительных).
- программно - алгоритмическое обеспечение проектирования нового класса интегрированных микроэлектромеханических систем.
- проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка конструкции микроэлектромеханических магнитоуправляемых коммутаторов средней мощности».

Основные характеристики разрабатываемых экспериментальных образцов МЭМС-коммутаторов: динамическая погрешность чувствительности к магнитному полю не более 10 %, коммутируемый ток - не более 1 мА, сопротивление коммутации менее 1 Ом; рабочее напряжение – (5 ± 0,2) В, геометрические размеры: не более 15х15х6 мм.

Научная новизна заключается в создании нового типа магнитоуправляемых коммутационных MEMS-датчиков способных к прямой коммутации нагрузки средней мощности. В настоящее время существуют лишь малогабаритные (1,5х1,5х1,2 мм) магнитоуправляемые MEMS-коммутаторы способные коммутировать токи до 1 мА при напряжении 5 В. Среди приборов с магнитным управлением более высокие значения коммутируемой мощности способны коммутировать магнитоуправляемые контакты – герконы, обладающие большими габаритами (длина баллона до 5 мм), что ограничивает их применение в ряде областей. Таким образом, существует ниша между маломощными и малогабаритными MEMS-коммутаторами и достаточно мощными, но существенно большими по размерам герконами. Существенное увеличение мощности магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов возможно путем использования новых типов эрозионностойких многослойных покрытий, обеспечивающих условия высокой локальной теплостойкости, теплопроводности и хорошей адгезией при температурных воздействиях некоторые типы которых получены и исследованы коллективом авторов проекта при разработке покрытий новых типов герконов выпускающихся на российском предприятии ОАО «РЗМКП» являющемся вторым в мире по объему производства герконов.

Пути и способы достижения заявленных результатов:
- математическая модель магнитоуправляемого МЭМС-коммутатора будет основана на самосогласованной системе уравнений в частных производных, включающих основные уравнения описывающие работу магнитоуправляемых коммутаторов: уравнения механики твердого тела, уравнения электро- и магнитодинамики, теплопереноса. На основании полученной системы будут сформулированы основные численные уравнения и система граничных условий, самосогласованное решение которых будет осуществляться с использованием метода конечных элементов. Для ускорения процесса выполнения вычислений численная модель будет предусматривать возможность организации параллельных вычислений.
- методика проектирования и лабораторная методика создания магнитоуправляемых МЭМС будут основаны на данных математического моделирования работы MEMS-коммутаторов с использованием численной модели: данных о напряженности внешнего магнитного поля вызывающего замыкание и размыкание контакт-деталей; данных о распределении плотности электрического тока и энерговыделении внутри конструкции MEMS-коммутатора, данные о влиянии коммутируемого тока и напряжения на распределение температуры внутри конструкции MEMS-коммутатора, данные о распределении механических и термических и напряжений подвижных и исполнительных механизмов магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов.
- экспериментальных образцов МЭМС, будут изготовлены с использованием технологических возможностей РГРТУ. Будут использованы базовые технологии магнетронного напыления и гальванического осаждения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Использование магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов сочетающих в себе преимущества герконов (не требует постоянного питания в режиме ожидания, обладает малым коммутационным сопротивлением, возможность прямой коммутации нагрузки, абсолютная радиационная стойкость, возможность работы в широком диапазонетемператур) и датчиков Холла (малые габариты, высокая точность определения положения) позволит существенно улучшить технико-экономические характеристики датчиков и сенсоров различных типов, используемых в различных отраслях промышленности (автоматика, мобильные устройства, автомобильная техника, авиакосмическая техника и т.д.)
Методика проектирования интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС), объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов и лабораторная методика их создания будут использованы при разработке магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов различных типов. Результаты анализа данных экспериментальных исследований будут использованы для дальнейшей оптимизации конструкции магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов в ходе выполнения ОКР. Программно - алгоритмическое обеспечение проектирования нового класса интегрированных микроэлектромеханических систем будет использовано при разработке магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов различных типов, а также потенциально для RF-MEMS-коммутаторов и других типов MEMS устройств.
Потребителями результатов выполненной НИР являются высокотехнологичные предприятия реального сектора экономики: производители электронной техники, средств автоматизации, робототехники, предприятия машиностроительной, авиакосмической и автомобильной промышленности. Путем доведения результата до потребителя является проведение ОКР по теме: «Разработка конструкции микроэлектромеханических магнитоуправляемых коммутаторов средней мощности». Предложения по использованию магнитоуправляемых MEMS-коммутаторов будут направлены на предприятия электронной промышленности.


Текущие результаты проекта:
- Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ по разработке магнитоуправляемых МЭМС -коммутаторов.
- Выполнено обоснование направления исследований, проведение сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований.
- Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ З 15.011-96.
- Разработана математическая модель и выполнен расчет конструкции магнитоуправляемых МЭМС-коммутаторов.