Použitie mikrouchopovačov MEMS

	Trenčianska Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne Fakulta Mechatroniky
	Použitie mikrouchopovačov MEMS zadanie práce Semetrálna práca

Autor:	Juraj Prívara
Pedagogický vedúci:	Ing. Ján Zápotočný
Študijný odbor:	Mechatronika
Akademický rok	2009/2010

Obsah práce

1.	Základné problémy pri návrhu mikrouchopovača
2.	Čo je to MEMS alebo MST?
3.	Pružné Mechanizmy
4.	Pružné kĺby

Abstrakt Práca sa zaoberá mikro-pružnými mechanizmami so zameraním na uchopovanie mikro objektov. Prvá časť sa zameriava na teóriu mikrouchopovačov, problémy s nimi a popisom flexibilných mechanizmov, z ktorých sú štruktúry mikrouchopovačov odvodené. Ďalšia časť je zameraná na riešenie problémov a popisuje typy flexibilných kĺbov, ktoré poskytujú pohyb a správanie mikrouchopovačov. V tomto projekte hovoríme aj o materiáloch vhodných na použitie v tejto oblasti.

Abstract This work deals with micro flexible mechanisms with a focus on griping of micro objects. The first part focuses on microgrippers theory, issues related to it and description of flexible mechanisms, from which are the structures of microgrippers derived. Next part is oriented on solving the issues and describes the types of flexible joints, which provide the movement and the behavior of microgrippers. In this project we also talk about the materials suitable for use in this area.

Úvod O mikrosystémoch a MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) sa začalo hovoriť v 90. rokoch 20. storočia ako o nastupujúcej kľúčovej technike 21. storočí. Veľké úsilie bolo venované technickému vývoju a novým prístupom spojeným so systémovým inžinierstvom pre vývoj nových aplikácii. Mnohé z nich, ktoré boli skôr rozpracované iba v teoretické rovine, boli teraz uvedené do praxe a na ich základe začali vznikať nové, kvalitatívnejšie odlišné systémy. Jednou z hlavných predností mikrosystémovej techniky je možnosť mikrominiaturizácie, využitie materiálov používaných na výrobu integrovaných elektronických obvodov (napr. kremík), ktorý však práve v týchto aplikáciách vykazuje vlastnosti bežných materiálov: napr. kremík v mikroštruktúrach má vlastnosti ocele. Elektronicky riadené skalpely alebo biochemické laboratória vytvárané na čipe umožnili dosiahnuť veľkého pokroku v medicíne. Bez mikrosystémovej techniky by nebol možný rozvoj funkcii kardiostimulátorov, ktoré v dnešnej dobe predstavujú inteligentné systémy obsahujúce senzory, aktuátory, riadiacu elektroniku a inteligentný rozhodovací software. Veľké množstvo mikrosystémov je i v moderných automobiloch (airbagy, ABS, riadiace a monitorovacie systémy, navigačné systémy atď.). Bez mikrosystémových technológií by sa nerozvíjal kozmický výskum, letectvo, bezpečnostné systémy alebo ochrana životného prostredia. V mikrosystémoch sú často začlenené i celé nesúrodé súčasti. Vychádza sa z predpokladu, že v mikrosvete sa jednotlivé súčasti systému výrazne vzájomne ovplyvňujú, na rozdiel od makrosveta, kde vlastnosti jednotlivých súčastí sa dá považovať za oddelené, a pritom dohromady vytvárajú funkčný makrosystém. Pri manipulácii s veľmi malými súčiastkami sa vyvíjajú aj k nim patričné druhy manipulátorov, čiže inak povedané uchopovačov či mikrouchopovačov. Pri súčiastkach väčších ako sú milimetre sa využívajú uchopovače zostrojené z mechanických, guľových a krížových kĺbov. Pri mikrosúčiastkach, teda pri súčiastkach menších ako je milimeter sa musí zvoliť mikrouchopovač, ktorý však funguje na iných princípoch ako to je v makrosvete.

Základné problémy pri návrhu mikrouchopovača

Ako už bolo povedané exitujú rozdiely medzi makro a mikro svetom. Pri uchopovaní väčších súčiastok sa sily ako sú napríklad elektrostatická zanedbávajú, ale pri mikrosúčiastkach takéto sily vytvárajú veľký problém. Ďalším problémom pri návrhu je zvolenie správnych kĺbov. Keďže pri uchopovaní mikrosúčiastok mechanické kĺby treba vylúčiť z dôvodu ich nepresnosti, obtiažnej a nákladnej výrobe a vzniknutom trení pri ich pohybe. Pre potrebnú presnosť preto teda zvolíme kĺby z pružných materiálov tzv. flexibilné alebo pružné kĺby.

Paralelné a uhlové uchopenie telesa

Hlavný rozdiel medzi uchopením paralelným (obr.1.1) a uhlovým (obr.1.2) je ten že pri paralelnom nám pri uchopení telesa pôsobia sily len v smere osi x a pri uchytení uhlovom nám sily pôsobia pod uhlom, čiže sú zložené z x-ovej a y-ovej zložky. Samozrejme že existujú aj v týchto prípadoch parazitné sily. Pôsobenie síl však závisí aj od danej súčiastky. Napríklad ak manipulujeme so súmernou súčiastkou kruhového tvaru a jej paralelným uchopením tak nám pôsobia sily kolmo na súčiastku. Preto je paralelné uchopenie vhodne na kruhové súčiastky, pretože v nich nepôsobia sily v smere y, tým pádom je aj jednoduchší ich výpočet a lepšie držanie súčiastky v manipulátore. Pri uhlovom uchytení treba vyjadriť x-ové aj y-ové zložky sily. Nieje vhodné na uchytenie súmerných súčiastok, keďže môže dôjsť k ich vyšmyknutiu. Súbor:Paralelné uchopenie.jpg Súbor:Uhlové uchopenie.jpg

Sily pri uhlovom uchopení

Pri uchopovaní sa sily rozkladajú a pôsobia na teleso ako to je na obrázku (obr.1.3). FA a FB sú uchopovacie sily, ktoré pôsobia kolmo na teleso. Dotykové body A a B ležia na dotykovej čiare a na teleso tiež pôsobia trecie sily FtA a FtB. Trecia sila Ft je definovaná ako súčin koeficientu trenia μ a normálovej sily Fn, ktorá je kolmá na treciu silu Ft. V našom prípade funkciu normálovej sily preberá sila FA a FB, pričom platí, že trecia sila

FtA = μA.FA a FtB = μB.FB   (1.1)                                     						

Koeficienty trenia μA a μB môžeme definovať ako

μA = tg ΦA a μB = tg ΦB     (1.2)                                           					

kde uhly ΦA a ΦB predstavujú uhly trecieho kužeľa. Ich veľkosť závisí od polohy dotykových bodov, tvaru uchopovaného telesa tvaru ramien. Stláčacia čiara prechádza cez ťažisko a je kolmá na dotykovú čiaru. Z ťažiska kolmo na zem pôsobí tiažová sila G a zviera so stláčacou čiarou uhol φG. Na teleso ďalej pôsobí aj vonkajší točivý moment M v kladnom smere. Súbor:Rozloženie síl na teleso pri uhlovom uchopení.jpg

Statická rovnováha telesa pri uhlovom uchopení

Ak má byť teleso uchopované uhlovým uchopením v rovnováhe, výslednica síl, pôsobiacich na teleso vo všetkých smeroch, musí byť rovná nule, a teda musia platiť silové podmienky:

ΣFi x = 0 , (1.3)

kde ΣFix predstavuje sumu všetkých síl pôsobiacich na uchopované teleso v x-ovom smere podľa súradnicového systému vyznačeného na obrázku (Obr. 1.3). Podľa obrázku môžeme ďalej napísať,

FA x + FtA x − FB x − FBt x −Gx = 0  , (1.4)
FAcosφA +FtAsinφA − FBcosφB − FtBsinφB − GsinφG =0  (1.5)

Dosadením výrazu (1.1) za FtA a FtB do vzťahu (1.5) získavame rovnicu reprezentujúcu silovú podmienku v x-ovom smere, pre spôsob uchopenia znázornený na obrázku (Obr. 1.3),

FAcosφA + μAFAsinφA − FBcosφB − μBFBsinφB − GsinφG =0   (1.6)

Dalšia silová podmienka predstavuje sumu všetkých síl, pôsobiacich na uchopované teleso v y-ovom smere, rovnú nule,

ΣFi y = 0   (1.7)
FtA y + FtB y − FA y − FB y −Gy = 0,     (1.8)
FtAcosφA +FtBcosφB − FAsinφA − FBsinφB − GcosφG =0 (1.9)

Podobne ako pre silovú podmienku v x-ovom smere, dosadením výrazu (1.1) za FtA a FtB, získavame rovnicu silovej podmienky v y-ovom smere, μAFAcosφA + μBFBcosφB − FAsinφA − FBsinφB − GcosφG =0 (1.10) Ďalšou podmienkou je tzv. momentová podmienka, ktorá predstavuje sumu všetkých momentov k bodu O rovnú nule,

ΣMio = 0, (1.11)
M + rA FA y − rA FtA y + rB FtB y − rBFB y − rt Gx = 0 (1.12)
M+ r A FAsinφA − rAFtAcosφA + rBFtBcosφB − rBFBsinφB − rtGsinφG =0  (1.13)
M+ r A FAsinφA − rAμAFAcosφA + rBμBFtBcosφB − rBFBsinφB − rtGsinφG =0   (1.14)

Po úprave výrazu (1.14) získavame rovnicu momentovej podmienky, pre spôsob uchopenia zobrazený na obrázku (Obr. 1.3),

M+ r A FA (sinφA − μAcosφA) + rBFB (μBcosφB − sinφB) − rtGsinφG =0  (1.15)

Čo je to MEMS alebo MST?

V Spojených štátoch je to technológia, známa ako Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS), v Európe je to len Microsystem Technologies (MST). Majú za úlohu presnejšie vymedzenie alebo vytváranie odpovedí, s niekoľkými spoločnými znakmi ako "miniaturizácia". MEMS je súčasť nástrojov, fyzických výrobkov, a metodík na spracovanie:

• Je to súbor techník a postupov pre navrhovanie a vytváranie miniatúrnych systémov
• Je to fyzický produkt často neštandartný a jedinečný ku konečnej aplikácii.

MEMS je aj spôsob, ako robiť veci. "Microsystems Technology" tento pojem presne definuje Úrad Spojených štátov pre pokročilý výskum obrany (DARPA- The Defense Advanced Research Projects Agency). Tieto "veci" zlučujú funkcie pre snímanie, ovládanie s výpočtami a komunikáciou s lokálnou kontrolou fyzikálnych parametrov na mikroúrovni. Hoci univerzálna definícia chýba, MEMS výrobky majú početné charakteristické rysy. Ide o miniatúrne systémy zahŕňajúce jednu alebo viac mikromechanických súčasti alebo štruktúr. Často menšie integrovateľné funkcie sa spájajú do jedného balíka pre väčšiu úžitkovosť. Môžu tiež priniesť výhody zníženia nákladov, priamo prostredníctvom nízkych jednotkových cien, alebo nepriamo znížením služby a nákladov na údržbu. Drvivá väčšina dnešných produktov MEMS sú v kategórií ako komponenty alebo podsystémy. Mikrosystémy sa stále ešte len vyvíjajú, ale ich vývoj napreduje. Ľudia sa spoliehajú na úspech dnešných komponentov najmä preto, že tieto komponenty sú schopné vykonať funkciu v stále rastúcej zložitosti. Mikrosystém je vo fázy evolúčného procesu. Posledných tridsať rokov sme strávili učením sa, ako zostaviť mikromechanické komponenty. Len nedávno sme sa začali učiť o ich bezproblémovej integrácie do subsystémov, a nakoniec do kompletných mikrosystémov.

Pružné Mechanizmy

Pružné mechanizmy vykonávajú zmenu polohy vychyľovaním flexibilných (pružných) členov, namiesto pohyblivých kĺbov pri tuhých mechanizmoch.

História pružných mechanizmov

Podstata pružných členov na uchovanie energie a vytváranie pohybu bol použitý pred tisícročiami. Archeologické dôkazy ukazujú, že luky požívané od roku 8000 pred n.l. boli primárnou zbraňou na lov vo väčšine kultúr. Včasné luky boli vyrobené z relatívne pružných materiálov ako je drevo a zvieracie šľachy. Deformačná energia na prove sa premieňa na kinetickú energiu šípu. Praky sú ďalším príkladom včasného uplatňovania pružných členov. Používali ich Gréci už vo štvrtom storočí pred n.l. Včasné katapulty boli postavené z drevených častí, ktoré boli odklonené na uchovanie energie a po uvoľnení vymrštili daný predmet.

Iné metódy boli vyvinuté na začiatku dvadsiateho storočia. Našlo sa nové využitie pre tento druh pohybu. Počet produktov, ktoré využívajú pružnosť materiálov na výkon svojich funkcií výrazne vzrástol v niekoľkých posledných desaťročiach čiastočne vďaka objaveniu a výrobe silnejších a spoľahlivejších materiálov. Využitie pružnosti materiálov sa bude pravdepodobne aj naďalej zvyšovať s časom a konštrukčné materiály a metodiky sa budú zlepšovať. V dnešnej dobe je obrovský dopyt, zvyšuje sa kvalita výrobkov a znižujú náklady. Univerzity a priemyselný výskum zohrávajú dôležitú úlohu vo vývoji mechanizmov s využitím pružných materiálov.

Konštrukcia pružných mechanizmov

Výroba mikro a miniatúrnych mechanizmov je veľmi náročná. Nedajú sa vyrobiť bežnými výrobnými postupmi. Jediná možnosť ako ich zhotoviť je zvoliť vhodnú metódu na tvorbu mikroštrukúr ako sú napríklad laserové alebo iónové mikroobrábanie, galvanické pokovovanie, kremíková technológia. Hlavnou výhodou pružných mechanizmov je zníženie nákladov z dôvodu redukovania konštrukčných dielov a najmä zjednodušenie výrobného procesu. Ďalšie výhody sú presnosť, spoľahlivosť a minimálna údržba. Ako už bolo spomenuté tieto zariadenia sú vyrobených z jedného kusa materiálu. Obsahujú menej pohyblivých častí, ako sú napríklad čapy alebo rôzne klzné časti, ktoré je nutné mazať. Majú minimálny počet spojov, čím sa zvyšuje presnosť mechanizmu. Je to najmä vďaka pružným prvkom, ktoré dokážu zabezpečiť bezvôľový pohyb jednotlivých častí mechanizmu. Pohyb v pružných mechanizmoch je zabezpečený vychyľovaním jednotlivých prvkov, tým pádom sú nehlučné a nevzniká žiadna vybrácia.