МИКРОСИСТЕМНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНОЙ АНТЕННЫ
MICROSYSTEM APPARATUS CONTROLLING SURFACE FOR MOUNTING SMALL ANTENNA

Изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано при создании микросистемных устройств управления и/или сканирования малогабаритной антенной или оптической отражающей поверхностью (зеркала) на основе подвижных термомеханических микроактюаторов, обеспечивающих преобразование «электрический сигнал - перемещение» и/или «изменение температуры - перемещение».
Из уровня техники известна оптическая система управления и сканирования (см. патент US 5867297, опубл. 02.02.1999), включающая источник света для генерации светового луча, колебательные микроэлектромеханические системы, включающие зеркала, отклоняющие луч света в заданном направлении, источник света. Микроэлектромеханические системы сформированы на кремниевом основании (подложке), для перемещения зеркал используют вращательные элементы в микроэлектромеханической системе, при этом источник света генерирует световой луч на первое зеркало через линзу, которое под действием падающего на него светового луча отражает его на второе зеркало для переотражения.
Недостатками известной системы являются:
- сложность конструкции и повышенные массогабаритные характеристики (размеры);
- узкий диапазон рабочих температур;
- возможность отклонения каждого из зеркал только по одной из осей;
- низкая надежность системы, поскольку используется сложный механизм управления с помощью вращательных элементов.
Из уровня техники известна система управления антенной для излучения и приема сигналов (см. заявку US 2006028385, опубл. 09.02.2006). Система включает в себя контроллер и связанное с ним антенное устройство, состоящее из элемента, генерирующего как минимум одну волну на основе управляющего сигнала от контроллера, и линзы на основе метаматериала, установленной на заданном фокусном расстоянии от элемента. Генерируемая волна проходит через линзу на основе метаматериала. Так как линза сделана на основе метаматериала с гораздо большей фокусирующей способностью, то антенна может иметь маленькое фокусное расстояние без усложнения конструкции, а значит и меньший размер, чем обычные сканирующие антенны. В качестве элементов используются датчики/источники сигналов. Также система содержит устройство для хранения данных, полученных с помощью датчика, и устройство ввода/вывода. Антенное устройство включает в себя один или несколько приводов, принимающих управляющий сигнал от контроллера. Приводы необходимы для удержания антенного устройства и его перемещения. При приеме/передаче включается переключатель, который получает команду от контроллера, определяющего направление сигнала к объекту, задаваясь фокусным расстоянием линзы.
Недостатками известной системы являются:
- отсутствие обратной связи по перемещению для определения первоначального положения антенны в пространстве;
- низкая надежность из-за сложности конструкции;
- узкий диапазон рабочих температур.
Из уровня техники известен тонкопленочный массив микрозеркал для свободно перемещаемых оптических переключателей с использованием МЭМС и метод их изготовления (см. заявку KR 20020068773, опубл. 23.08.2002).
Система представляет собой массив микрозеркал переключателей, каждое зеркало из которого опирается на четыре актюатора. Актюаторы имеют способность отклоняться вверх или вниз при подаче различного рода сигнала. Массив строится как матрица K×L (где K, L - целые числа). Имеется оптическая система, позволяющая отслеживать наклон плоскости микрозеркала. Лазер, отражаясь от микрозеркала, попадает на приемную матрицу и, тем самым, позволяет определить угол наклона плоскости микрозеркала.
Недостатками известной системы являются:
- маленькие габариты и сложность подводки контактов к антенне, что ограничивает область применения устройства оптическими переключателями;
- малый диапазон перемещения микрозеркал в пространстве;
- отсутствие возможности адаптивно настраивать и подстраивать систему.
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- уменьшение массогабаритных характеристик (размеров) микросистемного устройства путем использования подвижных термомеханических микроактюаторов для управления малогабаритной антенной, жестко закрепленной на поверхности для крепления малогабаритной антенны, представляющих собой биморфную конструкцию с возможностью изменения угла отклонения, которые без заметного ухудшения деформационных характеристик выдерживают несколько миллионов циклов деформаций;
- изменение в широких угловых пределах поверхности для крепления малогабаритной антенны (по каждой из осей не менее±10 градусов);
- повышение устойчивости устройства (исключение переворачивания конструкции устройства) вследствие крепления и управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны с помощью подвижных термомеханических микроактюаторов;
- возможность функционирования устройства в широком диапазоне температур, в том числе в условиях открытого космоса (при температуре жидкого азота);
повышение надежности устройства вследствие отсутствия механических узлов, подверженных трению;
- наличие обратной связи по положению поверхности для крепления малогабаритной антенны или по принимаемому сигналу;
- возможность применения различных по массе антенн (например малогабаритных плоских антенн и др.) благодаря использованию подвижных микроприводов, выполненных в виде подвижных термомеханических микроактюаторов, с большими усилиями и возможностью варьирования их количества в конструкции.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны, в котором поверхность для крепления плоской антенны жестко закреплена в n точках крепления симметрично относительно центра масс поверхности для крепления малогабаритной антенны и друг друга с нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию с помощью одного конца n гибких соединяющих элементов, выполненных, например, в виде полиимидной прямоугольной связки, другой конец связок жестко закреплен в точках крепления на верхней поверхности подвижного хвостовика подвижных термомеханических микроактюаторов, прямоугольные связки имеют V-образную изогнутую форму, при этом два конца связок закреплены таким образом, что двугранный угол связок повернут ребром в сторону основания (см. фиг.1), плоскость связок параллельна плоскости подвижных хвостовиков подвижных термомеханических микроактюаторов, а в точках крепления связок к нижней стороне поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию, плоскость связок параллельна поверхности для крепления малогабаритной антенны, вторые подвижные хвостовики подвижных термомеханических микроактюаторов жестко закреплены в n точках крепления на поверхности основания, обращенной в сторону нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, при этом поверхность для крепления малогабаритной антенны расположена параллельно плоскости основания и расстояние между ними равно расстоянию между точками крепления с нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны и точками крепления на поверхности основания в направлении нормали к обеим плоскостям, при этом точки крепления подвижных термомеханических микроактюаторов на поверхности основания расположены симметрично относительно друг друга и центра масс основания и равноудалены относительно точек крепления нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны в сторону края нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию, или основания, кроме того, устройство содержит источник питания, блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов и n датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом на вход блока управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов подается напряжение питания, выходной многоканальный разъем блока управления подвижных термомеханических микроактюаторов соединен с подвижными термомеханическими микроактюаторами, выходы датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов соединены с входным многоканальным разъемом блока управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом количество точек крепления на нижней стороне поверхности для крепления малогабаритной антенны равно количеству подвижных термомеханических микроактюаторов, количеству точек крепления на поверхности основания, количеству связок, количеству датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов и количеству каналов многоканального разъема, при этом n - целое число, больше или равно 3, при этом расположение малогабаритной антенны на поверхности для ее крепления варьируется от 0° до 90°.
В предпочтительном варианте, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде сформированной в меза-структуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, расположенных перпендикулярно основной оси консольной балки и соединенных полиимидными прослойками V-образной или трапециевидной формы в поперечном сечении, нагревателя с металлизацией.
В предпочтительном варианте, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены, по крайней мере, из двух слоев с различными коэффициентами термического расширения, при этом коэффициент термического расширения слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, обращенных к подложке, меньше коэффициента термического расширения внешних слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом один из слоев подвижных термомеханических микроактюаторов обладает обратимой памятью формы, подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде одно- или двухконсольной балки.
В предпочтительном варианте, нагреватель расположен в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок со сформированными в них омическими контактами или на поверхности параллельных трапециевидных вставок.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:
На фиг.1 - общий вид микросистемного устройства управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны, где
1 - подвижные термомеханические микроактюаторы;
2 - поверхность для крепления малогабаритной антенны, например, выполненная из диэлектрического материала;
3 - основание микросистемного устройства;
4 - точки закрепления подвижных термомеханических микроактюаторов с полиимидной связкой;
5 - гибкие соединяющие элементы, например, в виде полиимидной связки;
6 - ВЧ-разъем;
7 - кабель от ВЧ разъема, соединенный с приемо-передающим устройством;
8 - точка подключения ВЧ-разъема (центр масс нижней плоскости поверхности для крепления плоской антенны);
9 - точки крепления подвижных термомеханических микроактюаторов к основанию микросистемного устройства;
10 - точки крепления полиимидной связки к нижней плоскости поверхности для крепления малогабаритной антенны;
11 - центр масс основания микросистемного устройства.
На фиг.2 - блок схема микросистемного устройства управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны, где
12 - поверхность для крепления малогабаритной антенны с помощью микроактюаторов;
13 - датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов;
14 - блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (контроллер, процессор).
На фиг.3а представлен вид снизу (со стороны меза-структуры) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок.
На фиг.3б представлено поперечное сечение (А-А) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок.
На фиг.4а представлен вид снизу (со стороны меза-структуры) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния.
На фиг.4б представлено поперечное сечение (Б-Б) подвижного термомеханического микроактюатора с нагревателем, выполненным в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок из монокристаллического кремния.
На фигурах 3 и 4 показано следующее:
15 - монокристаллическая кремниевая пластина;
16 - параллельные трапециевидные вставки;
17 - меза-структура;
18 - нагреватель, выполненный в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок;
19 - нагреватель, выполненный в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок;
20 - омический контакт.
Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны (см. фиг.1) состоит из поверхности для крепления малогабаритной антенны (2), жестко закрепленной в точках крепления (10) гибких соединяющих элементов, например в виде полиимидной связки (5), к нижней плоскости поверхности для крепления малогабаритной антенны симметрично относительно центра масс (8) поверхности (2), обращенной к основанию (3), и друг друга, гибкие соединяющие элементы (5) прикреплены к подвижным хвостовикам (4) подвижных термомеханических микроактюаторов, которые жестко закреплены в точках крепления (9) на основании (3).
Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны (см. фиг.2) содержит блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (14), соединенный с датчиками перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13) и малогабаритной антенной с подвижными термомеханическими микроактюаторами (12), соединенной с датчиками перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13).
Принцип работы заявленного устройства заключается в следующем (см. фиг.1 и 2).
Поверхность для крепления малогабаритной антенны жестко закрепляют в точках крепления (10) симметрично относительно центра масс (8) поверхности (2) для крепления малогабаритной антенны и друг друга с нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны, обращенной к основанию (3) с помощью n гибких соединяющих элементов (5) - полиимидной связки, прикрепленных к подвижным хвостовикам (4) подвижных термомеханических микроактюаторов (1), которые жестко закрепляют в n точках крепления (9) на поверхности основания, обращенной в сторону нижней стороны поверхности для крепления малогабаритной антенны (2). Нагрев подвижных термомеханических микроактюаторов (1), закрепленных в точках крепления (9) на основании (3), обеспечивается подачей напряжения от источника питания через блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (14) на включенные в структуру подвижных термомеханических микроактюаторов (1) нагреватели (см. фиг.3 и 4), которые могут быть выполнены в меза-структуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок (18) или в меза-структуре на поверхности параллельных трапециевидных вставок (19). При нагреве подвижные термомеханические микроактюаторы (1) одновременно изменяют свое положение в пространстве, начиная движение вверх или вниз под воздействием сильной деформации материалов, возникающей из-за разности температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) кремния и полиимида, обеспечивая изменение угла отклонения хвостовиков подвижных термомеханических микроактюаторов (1). Под действием температуры применяемые материалы подвижных термомеханических микроактюаторов (1) расширяются по-разному, причем материал с большим ТКЛР деформируется больше, чем материал с низким ТКЛР, что приводит к изгибу биморфной балки подвижных термомеханических микроактюаторов (1). Датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (емкостной, оптический или по принимаемому на антенне сигналу) (13) фиксируют положение подвижных термомеханических микроактюаторов (1) и передают данные на блок управления перемещением (14) подвижных термомеханических микроактюаторов (1), который обрабатывает полученные данные в соответствии с заданной программой и поступающим на него напряжением от источника питания и подает необходимое для управления положением поверхности для крепления малогабаритной антенны (2) напряжение на соответствующие подвижные термомеханические микроактюаторы (1), тем самым вызывая их соответствующее перемещение и, как следствие, отклонение поверхности для крепления малогабаритной антенны (2), позволяющее изменять как азимутальный, так и зенитный угол. Таким образом, обеспечивается автоматизированная подстройка малогабаритной антенны (2) на источник сигнала или на иные объекты. Для управления перемещением поверхности для крепления малогабаритной антенны (2) используют подвижные термомеханические микроактюаторы (1), преобразующие приложенные к ним энергию или внешнее воздействие в управляемое движение или механическое перемещение.
Достоинствами подвижных термомеханических микроактюаторов (1) (см. фиг.3 и 4) являются простота конструкции, способность обеспечения максимального относительного перемещения балки - подвижной части структуры (приблизительно 70%), большие развиваемые усилия (до 5 мН) по сравнению с известными электростатическими. Угол отклонения свободного хвостовика (4) балки зависит от предельной температуры имидизации полиимида и расстояния между трапециевидными вставками (16). При изменении температуры, вызванном нагревом за счет теплового действия электрического тока, протекающего через нагреватель (18 или 19) при включении в электрическую цепь, происходит упругая деформация упруго-шарнирной консольной балки, вызванная различной величиной изменения линейных размеров кремниевых вставок и полипиромеллитимидных прослоек. Величина упругой деформации балки определяется различиями КТР (КТР кремния и полиимида отличаются более чем в двадцать раз), числом трапециевидных вставок, полиимидных прослоек и их конструкционной жесткостью полипиромеллитимидной прослойки. Деформация и угол отклонения упруго-шарнирной консольной балки либо уменьшается (при нагреве), либо повышается (при охлаждении). Угол отклонения микроактюатора уменьшается при увеличении расстояния между соседними кремниевыми трапециевидными вставками и наоборот. Для повышения устойчивости устройства (исключения возможности переворачивания конструкции) и управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны ее закрепляют с помощью как минимум трех подвижных термомеханических микроактюаторов. Поскольку нагрузка на подвижные термомеханические микроактюаторы зависит от массы малогабаритной антенны, то необходимо выбирать максимально легкий материал, из которого сформирована сама антенна. Полиимидные прямоугольные связки имеют V-образную изогнутую форму, шириной меньше или равной ширине подвижных термомеханических микроактюаторов, длиной, позволяющей перемещать поверхность для крепления малогабаритной антенны в заданном диапазоне углов и толщиной, обеспечивающей жесткость, позволяющую удерживать вес поверхности для крепления малогабаритной антенны при помощи подвижных термомеханических микроактюаторов.
Типовой размер подвижных термомеханических микроактюаторов составляет (2-20)×(5-40) мм.
В качестве обратной связи по положению поверхности для крепления малогабаритной антенны могут использоваться датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13), например емкостной или оптический, а также возможно применение схемы отслеживания принимаемого сигнала (реализуемой программно внутри микроконтроллера) и организация подстройки положения в пространстве поверхности для крепления малогабаритной антенны по нему.
Датчики перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов подключены к блоку управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (14), обеспечивая тем самым отслеживание положения малогабаритной антенны и позволяя блоку управления оперативно в режиме реального времени настраивать антенну на объект наблюдения.
Для обеспечения адаптивной подстройки малогабаритной антенны в контроллер загружается программа, которая описывает перемещение антенны в пространстве, как функцию от угла отклонения подвижных термомеханических микроактюаторов, а также от уровня сигнала, принимаемого от объекта наблюдения.
Принимаемый сигнал с датчиков перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов (13) позволяет определить угол отклонения соответствующего микроактюатора и, как следствие, задать входные параметры сигнала, подаваемого на нагреватель соответствующего микроактюатора. Для задания сферических координат положения объекта используют обратную связь по датчикам перемещения подвижных термомеханических микроактюаторов. В конечном итоге направление малогабаритной антенны задается сопоставлением следующих данных, хранящихся в таблице в памяти микроконтроллера:
- входные параметры сигнала, подаваемого на микроактюаторы (напряжение, скважность сигнала и прочее);
- азимутальный и зенитный углы положения антенны в пространстве.
Для подстройки малогабаритной антенны при уходе сигнала используют обратную связь по уровню «сигнал-шум». При уменьшении значения принимаемого сигнала входные параметры сигнала, подаваемого на каждый из микроактюаторов, по очереди варьируются до тех пор, пока принимаемый сигнал не начнет расти и не достигнет своего максимума. Данный алгоритм прописан в блоке управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов (контроллере, процессоре).
Малогабаритная антенна может быть выполнена, например, на основе метаматериала, благодаря использованию которого добиваются малых габаритных размеров плоской антенны, работы в разных частотных диапазонах, фильтрации по полосам частот, более низкой стоимости материалов и производства, улучшенного быстродействия при приеме и передаче сигналов по сравнению с традиционными антеннами.
Блок управления перемещением подвижных термомеханических микроактюаторов может быть построен, например, на микроконтроллере типа TMS320F или его аналогах.