АКТЮАТОР
ACTUATOR

Изобретение относится к области механики, в частности к технике устройств на основе материалов с волной зарядовой плотности (ВЗП), и может найти применение в автомобильной промышленности, машиностроении, робототехнике, микромеханике, медицине, зондовой микроскопии.
Аналогами предлагаемому техническому решению являются пьезоэлектрические крутильные актюаторы [1, 2]. Такие актюаторы имеют разнообразное техническое применение: сканирующие устройства для лазеров и других оптических систем, контроль вращения лопастей вертолета, ультразвуковые и вращающиеся шаговые двигатели [2].
Прототипом предлагаемого технического решения является крутильный актюатор [1]. Актюатор [1] состоит из набора (6 или 8) сегментов прямоугольной формы. Сегменты сделаны из электрически активного материала, полярная ось которого направлена вдоль большего из размеров прямоугольника. Сегменты собраны вместе, образуя цилиндр, ось которого параллельна полярным осям материала. Полярные оси смежных сегментов направлены в противоположные стороны. Вдоль линий стыка сегментов помещен проводник. К проводникам подводится напряжение, создающее противоположно направленные поля в смежных сегментах. Это поле вызывает сдвиговую деформацию каждого из сегментов, что приводит к повороту незакрепленного конца цилиндра.
-9
Недостатками прототипа являются его большие размеры, малые углы кручения, высокие управляющие напряжения. Недостатки этой конструкции принципиально неустранимы, т.к. обусловлены малой величиной пьезомодулей известных пьезокерамик (и вообще, пьезоэлектриков), не превышающей 10м/В.
Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности крутильного актюатора, расширении его функциональных возможностей и повышении технологичности за счет снижение габаритов устройства, в том числе до субмикронного масштаба размеров, повышении технологичности и экономичности за счет простоты устройства и подвода к нему электрического напряжения, в увеличении достигаемого контролируемого электрическим воздействием управляемой деформации кручения, в возможности использования энергонезависимой памяти угла, в возможности контроля резонансных крутильных колебаний с помощью электрического сигнала обратной связи, в расширении функциональных возможностей за счет управления упругими свойствами, то есть возможности регулирования внутреннего трения и торсионной жесткости элемента при помощи электрического поля.
Поставленная цель достигается за счет того, что в актюаторе с возможностью получения деформации кручения, включающем рабочий элемент из электрически активного материала, с контактами для подвода деформирующего напряжения, элемент для регистрации кручения, согласно изобретению рабочий элемент выполнен из квазиодномерного проводника (КОП) с ВЗП с двумя контактами, подводящими ток.
Поставленные цели достигаются также за счет того, что один конец КОП с ВЗП закреплен на подложке, а другой - подвешен с помощью проволоки, проводящей ток и дающей возможность свободного кручения.
Поставленные цели достигаются также за счет того, что рабочий элемент выполнен в виде двух КОП с ВЗП, склеенных встык, другие два конца которых подвешены на неподвижно закрепленных контактах, а полярная ось одного из КОП развернута на 180° по отношению к другому.
Поставленные цели достигаются также за счет того, что посередине КОП с ВЗП с закрепленными контактами прикреплена проволока с возможностью пропускания деформирующего тока через нее и один из контактов на рабочем элементе - образце КОП, и использования при этом модуляции сопротивления между вторым контактом на КОП с ВЗП и проволокой для получения сигнала обратной связи при колебаниях.
Поставленные цели достигаются также за счет того, что одна половина КОП с ВЗП покрыта проводящей (шунтирующей часть рабочего элемента) пленкой, а на смежной части КОП с ВЗП, неподвижно закрепленной на подложке, расположен третий контакт, обеспечивающий получение сигнала обратной связи резонансных крутильных колебаний.
Поставленные цели достигаются также за счет того, что пары контактов, используемых для возбуждения крутильных колебаний и сигнала обратной связи, меняются местами.
-4
Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является применение нового класса материалов в качестве рабочего элемента. В отличие от всех известных пьезоэлектриков, КОП деформируются неоднородно - закручиваются в однородном электрическом поле. Это, во-первых, позволяет непосредственно получить деформацию кручения на базе одного нитевидного монокристалла, что, в частности, облегчает изготовление актюаторов субмикронного размера. Во-вторых, величина сдвиговой деформации при этом достигает 10 при электрическом поле менее 1 В/см. По этому параметру КОП превосходят все известные пьезоэлектрики как минимум на 3 порядка. Кроме того, используя ориентацию полярной оси [4], можно получить крутильный актюатор с закрепленными концами и вращающейся серединой. Кроме того, используя нелокальные свойства ВЗП, можно получить деформацию кручения в конфигурации балки, т.е. кручение свободного конца. Кроме того, кручение носит пороговый и гистерезисный характер [4]. Это позволяет, например, получить различные углы кручения в нулевом электрическом поле, что можно использовать как энергонезависимую память угла (например, при оптической коммутации). Кроме того, известно, что упругие константы КОП, в частности модуль сдвига и внутреннего трения, зависят от приложенного к ним напряжения [5]. Это можно использовать для регулировки резонансной частоты и добротности крутильных колебаний [6]. Кроме того, при резонансных крутильных колебаниях возникает модуляция сопротивления КОП [6]. Соответствующий электрический сигнал можно использовать как сигнал обратной связи [6].
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.
3
На фиг.1 представлена фотография предлагаемого актюатора с контактом, подвешенным над подложкой. Один конец вискера TaS жестко закреплен на подложке, а второй - приподнят над ней. Ток подводится к нему через тонкую гибкую проволоку (1), которая практически не препятствует деформации кручения. Одно или несколько микрозеркал, приклеенных к рабочему элементу, позволяют отслеживать угол кручения.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого актюатора без использования проволоки. Два фрагмента одного вискера (2) склеены посередине проводящим клеем в точке (3), образуя контакт, подвешенный над подложкой. В одном из фрагментов направление цепочек повернуто на 180° по отношению к другому (показано стрелочками). При приложении напряжения между контактами (4-5) кручение обоих вискеров в области склейки направлено в одну и ту же сторону.
На фиг.3 представлена фотография трехконтактного актюатора. Подача напряжения между контактами 4-5 приводит к кручению верхней половины вискера 2. При этом модулируется сопротивление нижней половины (5-6) вискера 2. Т.о., верхняя половина вискера работает как актюатор, а нижняя - как приемник. Использование зеркала для регистрации кручения при этом не обязательно.
ac
ac
На фиг.4 представлена схема подачи крутящего напряжения V и съема сигнала обратной связи резонансных колебаний, реализуемая в конфигурации по Примеру 3 (фиг.3). Контакты (4, 5, 6) обозначены так же, как на фиг.3. При детектировании переменного сигнала с сектора 6-5 с помощью синхронного детектора (7), если при этом в качестве опорного сигнала (вход опорного сигнала обозначен (8)) используется напряжение V, на зависимости сигнала от частоты наблюдается пик в области резонансных крутильных колебаний.
На фиг.5 представлена схема трехконтактного актюатора, действующего по тому же принципу, что и представленный на фиг.3, 4. В данном варианте отсутствуют контакты, подвешенные над подложкой. Цифрами (4, 5, 6) показаны напыленные золотые контакты, один из которых шунтирует половину рабочего элемента (2). Часть рабочего элемента 4-5 подвешена над подложкой (9), другая часть (5-6) плотно прилегает к ней. Крутильные колебания возбуждаются подачей переменного напряжения 4-5, а контролируются по напряжению 5-6 (или наоборот). Применение зеркала (10) не обязательно. Данная конфигурация легко масштабируется до нанометровых размеров.
Рассмотрим физические принципы работы предлагаемого технического решения и сравним достигаемый эффект с известными аналогами. В основе работы предлагаемого технического решения лежит явление деформации КОП в электрическом поле. Физический принцип этого явления до конца не ясен. Качественно деформацию рабочего элемента можно описать следующим образом: электрическое поле деформирует ВЗП - как бы электронный кристалл внутри основной решетки. Этот эффект хорошо изучен. Далее, деформация ВЗП передается кристаллу, что можно описать как взаимодействие двух параллельно соединенных пружин [7].
Наиболее близкий аналог этому явлению - пьезоэлектрический эффект. Как показывает полукачественная модель [8], деформация КОП может превышать деформацию ионных пьезоэлектриков при том же электрическом поле в L/λ раз, где L - длина когерентности ВЗП (порядка 1 мм), а λ - период ВЗП (порядка 1 нм).
-6
Преимущества по сравнению с прототипом [1] обусловлены тем, что деформация рабочего элемента актюатора на несколько порядков превосходит деформацию рабочего элемента (пьезокерамики) в прототипе при том же электрическом поле. Такая деформация соответствует пьезомодулю более 10 м/В. Кроме того, приложение электрического поля непосредственно приводит к кручению актюатора, что предельно упрощает конструкцию. В отличие от прототипа, рабочим элементом предлагаемого актюатора является монокристалл КОП, а не сборная конструкция, составленная из сегментов исходного материала. Кроме того, рабочий элемент и вся конструкция без принципиальных трудностей масштабируются до субмикронных размеров. Это связано с тем, что к актюатору подводятся только два электрических контакта, а не 6 или 8 [1], а также с сохранением свойств КОП с ВЗП при утонении до указанных размеров [3], технологичностью такого утонения, технологичностью масштабирования всего предложенного макета актюатора - отсутствием подвешенных контактов. Кроме того, деформация кручения приводит к модуляции сопротивления рабочего элемента [6], что позволяет получить сигнал обратной связи.
Преимуществом по сравнению с прототипом [1] является также универсальность наблюдаемого кручения КОП. Универсальность состоит в том, что существует два вклада в кручение и преимущество каждого из них предлагается использовать в актюаторе. Первый вклад - больше по величине, пороговый и гистерезисный по полю, медленный. Он удобен для коммутации, энергонезависимой памяти. Второй вклад быстрый, удобен для работы в резонансных режимах на высоких частотах. Кроме того, параметрами кручения можно управлять за счет возможности изменения модуля сдвига и внутреннего трения (добротности колебаний) с помощью электрического поля [5].
Преимуществом по сравнению с прототипом [1] является также возможность использования ориентации полярной оси в КОП с ВЗП. Комбинируя фрагменты кристаллов с осями, направленными навстречу друг другу, можно получать кручение середины при закрепленных концах. Кроме того, нелокальные эффекты при деформации ВЗП позволяют использовать закрепленную часть рабочего элемента для возбуждения кручения в подвешенной части и для получения сигнала обратной связи кручения подвешенной части.
3
2
2
2
x
3
Пример 1. В качестве примера реализации актюатора и способа его изготовления опишем эксперимент, который иллюстрируется фиг.1. К стеклянной подложке прижаты два контакта из индия. В одном из них методом холодной пайки зафиксирован конец рабочего элемента (образца КОП TaS), так что второй его конец приподнят над подложкой. Длина рабочего элемента 3 мм, поперечные размеры - 10 мкм. К нему с помощью проводящей эпоксидной смолы приклеена проволока - вискер сверхпроводника BaSrCaCuO толщиной 0.2 мкм и шириной 5 мкм с напыленным слоем золота (500 Ǻ). При температуре 80 K при подаче напряжения +/-1 В наблюдается кручение подвешенного конца TaS на угол до 2 градусов. При подаче переменного напряжения 10 мВ на частоте 1 кГц наблюдаются резонансные крутильные колебания амплитудой до 2 градусов, с добротностью 1000.
3
Пример 2. Актюатор по Примеру 1 (фиг.2), в котором проволока отсутствует. Два подвешенных конца рабочих элементов (образцов TaS) склеены проводящим эпоксидным клеем. Один из рабочих элементов (это может быть фрагмент того же вискера) развернут относительно другого на 180 градусов (перевернут), так что полярные оси двух рабочих элементов направлены в противоположные стороны. Концы каждого из рабочих элементов, противоположные подвешенным, закреплены неподвижно на контактах из индия. При тех же условиях, что и в Примере 1, наблюдается добротность 5000.
3
Пример 3. Актюатор по Примеру 1 (фиг.3-4), в котором оба конца вискера TaS закреплены на контактах из индия, а проволока приклеена посередине. При подаче тех же напряжений между контактами 4-5, что и в Примере 1, наблюдается кручение или резонансные крутильные колебания той же величины и добротности. При этом происходит модуляция сопротивления между контактами 5-6. При пропускании постоянного тока 10 мкА между этими контактами 5-6 при резонансных колебаниях возникает дополнительное переменное напряжение 100 мкВ на частоте резонанса. Сигнал обратной связи можно измерять также и в других (нерезонансных) режимах, на постоянном и на переменном токе.
Пример 4. Актюатор по Примеру 3 (фиг.5), в котором проволока отсутствует, часть рабочего элемента подвешена над подложкой, а часть плотно прижата к ней. На подложке к рабочему элементу сделан еще один контакт, а половина подвешенной части рабочего элемента покрыта проводящей пленкой. Все три контакта выполнены методом ионно-плазменного напыления золота. При приложении переменного напряжения между контактами 4-5 наблюдаются крутильные колебания середины рабочего элемента относительно контактов. При пропускании постоянного тока через контакты 5-6 между ними измеряется напряжение, пропорциональное углу поворота середины сектора 4-5 (см. Пример 3). Возможны измерения в резонансном и нерезонансных режимах.
Пример 5. Актюатор по Примеру 4 (фиг.5), в котором ток, возбуждающий колебания, пропускается через сектор 5-6, а напряжение обратной связи детектируется в секторе 4-5 - инверсная конфигурация.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении угла поворота актюатора при том же напряжении, в возможности уменьшения размеров до субмикронных, в повышении технологичности и экономичности за счет простоты устройства и подвода к нему электрического напряжения, в возможности использования энергонезависимой памяти угла, в возможности контроля крутильных колебаний с помощью электрического сигнала обратной связи, в расширении функциональных возможностей за счет управления упругими свойствами, то есть в возможности регулирования внутреннего трения и модуля сдвига элемента при помощи электрического поля.
Литература
1. О.Zhang, et al. Torsional electrostrictive actuators. United States Patent 6,020,674. Assignee: The Penn State Research Foundation (University Park, PA). Appl. No.: 08/961,999. Filed: October 31, 1997.
2. A.E.Glazounov, Q.M.Zhang and C.Kim "Piezoelectric actuator generating torsional displacement from piezoelectric d15 shear response", Appl. Phys. Lett., 72, No.20, 18 May 1998; Jaehwan Kim and Byungwoo Kang, "Performance test and improvement of piezoelectric torsional actuators" Smart Mater. Struct. 10, 750 (2001).
3. С.В.Зайцев-Зотов, УФН 174, 585 (2004).
4. V.Ya. Pokrovskii, S.G.Zybtsev, and I.G.Gorlova, "Torsional Strain of TaS3 Whiskers on the Charge-Density Wave Depinning", Phys. Rev. Lett. 98, 206404 (2007).
5. J.W.Brill, "Elastic properties of low-dimensional materials", in Handbook of Elastic Properties of Solids, Liquids, and Gases, edited by M.Levy, H.E.Bass, and R.R.Stem (Academic Press, New York, 2001), Vol.II, pp.143-162.
6. V.Ya.Pokrovskii and S.G.Zybtsev, "Self-sensitive torsional microresonators based on a charge-density wave system", arXiv:0708.2694v1 [cond-mat.str-el] (http://arxiv.org/abs/0708.2694).
3
7. A.V.Golovnya, V.Ya.Pokrovskii, P.M.Shadrin, "Coupling of the lattice and superlattice deformations and hysteresis in thermal expansion for the quasi-one-dimensional conductor TaS$", Phys. Rev. Lett. 88, 246401 (2002).
8. В.Я.Покровский "Об огромном воздействии электрического поля на кристаллическую решетку квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности", Письма ЖЭТФ 86, issue 4, 290-293 (2007).