Электростатический микро-, нанодвигатель

Электростатический микро-, нанодвигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электромеханике, а также к области микроструктурной технологии, в частности к микромеханическим устройствам с подвижными, гибкими или деформируемыми элементами. Изобретение может быть использовано для построения микро- и нанодвигателей систем передвижения и транспортировки различного назначения, осуществляющих перемещения в микро- и наноразмерной шкале масштабов, а также двигателей, имеющих микро- и наноразмеры, например, в робототехнике, в том числе в нано- и микроробототехнических системах медицинского назначения.

Известен электростатический микро-, нанодвигатель (заявка Германии на изобретение DE 102005018955, МПК: 8 H02N 1/00), содержащий узел позиционирования, выполненный в составе двух пар встречных электростатических электродов, электрически изолированного упругого элемента и электростатического преобразователя электрической энергии в механическую, плоский электрод-подложку, на котором размещен узел позиционирования, и источник питания для селективной подачи электрического потенциала на электроды. В преобразователе использованы гребенчатые структуры, размещенные навстречу друг другу с возможностью перекрытия, представляющие конденсатор, обеспечивающий посредством варьирования емкости перемещение. Встречные электроды механически соединены с упругим элементом, изготовленным из полимера, полиметилметакрилата. Плоский электрод-подложка выполняет функцию контурного электрода к встречным электродам.

К недостаткам известного технического решения относятся: ограниченные функциональные возможности и области применения; ограничение диапазона перемещений; низкая точность перемещения; маломощность двигателя. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами. Во-первых, движение осуществляется в направлении, перпендикулярном вектору электрического поля, что обуславливает малую величину сил, развиваемых двигателями данного типа при управляющих напряжения порядка нескольких вольт. Для того чтобы данные двигатели обладали достаточной эффективностью, необходима величина управляющего напряжения порядка 100 В и большие размеры двигателя. Во-вторых, при движении существует возможность перекоса и последующего замыкания с трением электродов гребенчатых структур, которые существенно ограничивают длину перемещения и делают невозможным реализацию данного двигателя в наноразмерной шкале масштабов, с нанозазорами. Двигатели типа гребенок являются громоздкими. Наличие большого количества гребенок вызвано необходимостью увеличить суммарную силу притяжения пластин конденсатора, которым является электростатический преобразователь. В-третьих, реализация данного двигателя базируется на возможностях стандартных технологий, с присущими им невозможностью масштабирования размеров в сторону уменьшения, прецизионной выдержки их и ограниченным ассортиментом используемых в конструктивных элементах двигателя материалов, что приводит, в конечном счете, к отсутствию контролируемости в отработке статического воздействия. В-четвертых, двигатель данного типа может быть использован для перемещений только в одном направлении.

Известен электростатический микро-, нанодвигатель (Y.Nemirovsky, О.Degani, A methodology and model for the pull-in parameters of electrostatic actuators. J. Micromech. Syst, v. 10, (4), 2001, pp.601-615), содержащий источник питания и электрически связанные с ним две пластины. При этом плоскопараллельные пластины, являющиеся электродами, размещены друг относительно друга с зазором, одна из них выполнена неподвижной, а другая - подвешена с возможностью ее вращения вокруг оси, проходящей через точку подвеса, при притяжении по направлению к неподвижной пластине при подаче к ним разности потенциалов и возникновении электростатической силы притяжения.

К недостаткам известного технического решения относятся: ограниченные функциональные возможности и области применения; ограничение диапазона перемещений; низкая точность перемещения; маломощность двигателя. Основной причиной, препятствующей достижению технического результата, является нестабильность электростатического двигателя (преобразователя), известная как слипание электродов. При подаче разности потенциалов к электродам между ними возникает электростатическая сила, вынуждающая подвешенный электрод, вращаясь, притягиваться по направлению к неподвижному электроду до наступления равновесия между электростатической силой и механической силой упругости подвеса. Равновесие имеет место в случаях, если после перемещения подвижного электрода величина зазора между электродами достаточно велика, не менее 2/3 исходной величины зазора. Если при подаче разности потенциалов к электродам возникает электростатическая сила, превосходящая силу упругости подвеса, то между электродами происходит контакт - явление слипания. Таким образом, это обстоятельство, несмотря на притягательность электростатических двигателей (преобразователей), в значительной степени обусловленными возможностью накопления в них большой плотности энергии и достижением в них большой силы, а также простотой дизайна и изготовления, легкой интегрируемостью в микро- и наносистемы, тем не менее, является существенным препятствием в использовании двигателей в различных микро- и наносистемах. Явление слипания является причиной ограничения диапазона возможных перемещений, низкой точности перемещения, препятствует развитию большой силы. Поскольку сила электростатического притяжения зависит квадратично от обратного расстояния между пластинами, то максимальное усилие достигается при минимальных расстояниях между пластинами. В рассматриваемом аналоге невозможно достичь малых расстояний (меньше 2/3 исходного расстояния), что ограничивает величину развиваемых усилий. Поэтому, несмотря на указанные потенциальные возможности, реализация двигателя может быть осуществлена только в качестве маломощного. Эта же причина обуславливает невозможность масштабирования размеров в сторону уменьшения.

В качестве ближайшего технического решения выявлен электростатический микро-, нанодвигатель (Y.Nemirovsky, О.Degani, A methodology and model for the pull-in parameters of electrostatic actuators. J. Micromech. Syst, v.10, (4), 2001, pp.601-615), содержащий источник питания, с которым электрически связаны две плоскопараллельные пластины, являющиеся электродами, размещенные друг относительно друга с зазором, одна из них выполнена неподвижной, а другая с возможностью линейного перемещения при притяжении по направлению к неподвижной пластине при подаче разности потенциалов на пластины и возникновении электростатической силы притяжения.

К недостаткам ближайшего известного технического решения относятся: ограниченные функциональные возможности и области применения; ограничение диапазона перемещений; низкая точность перемещения; маломощность двигателя. Основной причиной, препятствующей достижению технического результата, является нестабильность электростатического двигателя, известная как слипание электродов. При подаче на пластины разности потенциалов создается кулоновское притяжение, вызывающее перемещение пластины и изменение расстояния между подвижной и неподвижной пластинами. При этом возможный диапазон перемещений составляет 1/3 от исходного расстояния между пластинами. При попытке увеличить расстояние перемещения возникает явление слипания пластин. Как правило, упругий элемент в электростатическом двигателе, обеспечивающий перемещение пластины, например пружина, изменяет свои размеры пропорционально приложенной силе. Электростатическая сила зависит квадратично от обратного расстояния между пластинами. Разница функциональных зависимостей от расстояния сил упругости и притяжения, в первом случае - прямая пропорциональная, во втором случае - обратная квадратичная, ограничивает диапазон возможных перемещений до указанной величины. Таким образом, существование рассмотренного явления слипания, несмотря на притягательность электростатических двигателей, в значительной степени обусловленными возможностью накопления в них большой плотности энергии и достижением в них большой силы, а также простотой дизайна и изготовления, легкой интегрируемостью в микро- и наносистемы, тем не менее, является существенным препятствием в использовании двигателей в различных микро- и наносистемах. Явление слипания является также причиной низкой точности перемещения, так как рабочий диапазон ограничен выполнением условия наличия больших расстояний между пластинами. Таким образом, несмотря на то, что потенциальные возможности в отношении развития больших сил в данном двигателе выглядят обнадеживающими, на деле реализация двигателя может быть осуществлена только в качестве маломощного и неточного в перемещении. Наличие этого же явления обуславливает невозможность масштабирования размеров в сторону уменьшения.

Техническим результатом изобретения является:

- расширение функциональных возможностей и областей применения;

- увеличение диапазона перемещений;

- существенное повышение точности перемещения;

- достижение предельно больших усилий двигателя (увеличение мощности).

Технический результат достигают тем, что в электростатическом микро-, нанодвигателе, содержащем источник питания, по крайней мере, две пластины, расположенные друг относительно друга с зазором и с возможностью изменения за счет электростатического воздействия их пространственной ориентации друг относительно друга, в микро-, нанозазоре между пластинами размещена с возможностью фиксации самоформирующаяся упругая нанооболочка - пружина, выполненная из механически напряженной пленки, изменяющая свою форму и коэффициент упругости при изменении взаимного расположения пластин, при этом пластины и нанооболочка - пружина, или пластины, или пластина и нанооболочка выполнены с возможностью приложения к ним от источника питания напряжения, и отработки электростатического воздействия.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнена гофрированной.

В электростатическом микро-, нанодвигателе фиксация нанооболочки - пружины выполнена жестким креплением к пластине ее краев.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнены из полупроводника, или металла, или диэлектрика, или полупроводника и металла, илидиэлектрика и металла, или диэлектрика и полупроводника, или полупроводника, и диэлектрика, и металла.

В электростатическом микро-, нанодвигателе пластина выполнена из полупроводника, или металла, или диэлектрика, или полупроводника и металла, или диэлектрика и металла, или диэлектрика и полупроводника, или полупроводника, и диэлектрика, и металла.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина, гофрирована неравномерно в отношении ее площади, только на краях, с увеличением высоты гофров в направлении к освобожденным от связи с пластиной краям.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади с непрерывно периодическим расположением протяженных одинаковых гофров.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади с прерывно или непрерывно периодическим расположением протяженных зигзагообразных гофров.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина гофрирована равномерно в отношении ее площади, с прерывно периодическим расположением куполообразных гофров.

В электростатическом микро-, нанодвигателе в составе пластин и нанооболочки - пружины, или в составе пластин, или в составе пластины и нанооболочки - пружины, выполненных с возможностью использования их в качестве электродов, сформирован массив проводящих элементов, предназначенных для создания локального электрического поля или его градиента, обеспечивающих контролируемое изменение угла между пластинами.

В электростатическом микро-, нанодвигателе сформирован массив концентрически расположенных проводящих элементов, с возможностью создания локального электрического поля или его градиента вдоль радиальных прямых, и вдоль окружностей, при этом ориентация осей гофров нанооболочки - пружины, выполнена также радиальной.

Электростатический микро-, нанодвигатель выполнен многокаскадным, из последовательно соединенных n каскадов, где n≥1, при этом каждая из пластин n-го каскада выполнена с возможностью принадлежности каскаду n-1 или каскаду n+1.

В многокаскадном электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина в отношении разных каскадов выполнена различающейся толщиной, и/или высотой гофрировки, и/или формой, и/или пространственной ориентацией для прецизионного управления двигателем в отношении разных каскадов.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнена из напряженной многослойной пленки, содержащей, по крайней мере, один растянутый слой.

В электростатическом микро-, нанодвигателе нанооболочка - пружина выполнена из напряженной многослойной пленки, содержащей три слоя, причем внешние сжаты, а толщина пленки периодически модулирована за счет внешних слоев, причем период модуляции толщины одного внешнего слоя и период модуляции второго внешнего слоя сдвинуты друг относительно друга.

В электростатическом микро-, нанодвигателе, по крайней мере, одна из пластин выполнена в виде кантилевера.

В электростатическом микро-, нанодвигателе, по крайней мере, одна из пластин выполнена в виде арки.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На Фиг.1 схематически изображена последовательность формирования освобожденной от связи с пластиной (подложкой) выпученной пленки, являющейся простейшей нанооболочкой - пружиной: а) стадия нанесения на пластину (подложку InP) последовательно жертвенного слоя AlAs, функционального слоя InAs, латеральные размеры последнего превышают размеры подложки InP, вследствие того, что постоянная решетки InAs больше постоянной решетки InP; б) готовая гетероструктура InAs/AlAs/InP, в которой пленка InAs наследует решетку массивной подложки (явление псефдоморфизма), вследствие чего, слой InAs сжат; в) стадия селективного бокового удаления материала жертвенного слоя, отделение среднего участка сжатого функционального слоя InAs и формирование простейшей, нанооболочки - пружины с фиксированными концами, в результате выпучивания участка пленки, отделенного от подложки.

На Фиг.2 представлена иллюстрация структуры микро-, нанодвигателя, в которой верхняя подвижная пластина способна перемещаться в вертикальном направлении под действием давления Р, сила, действующая со стороны подвижной пластины на нанооболочку - пружину - F: а) исходное состояние структуры до приложения внешнего давления Р; б) изображение сечения структуры при приложении давления Р, в образовавшейся области плотного прилегания наноооболочки - пружины к подвижной пластине, l - длина подложки, l₁ - длина изогнутой части нанооболочки - пружины, l₂ - длина прилегающей части нанооболочки - пружины, h - расстояние между пластинами; где 1 - неподвижная пластина (подложка), 2 - подвижная пластина, 3 - нанооболочка - пружина.

На Фиг.3 представлена зависимость величины зазора между пластинами (слева) - а) и формы нанооболочки - пружины (справа) - б) от приложенного к пластинам напряжения; при этом «Нагрузка» - увеличение прикладываемого напряжения, «Разгрузка» - уменьшение прикладываемого напряжения, I - состояние системы с одним гофром, II - состояние системы с двумя гофрами, III - состояние системы с тремя гофрами (i - гофр касается пластин в точках верхушек, ii - гофры с областью плотного прилегания нанооболочки - пружины к пластине), слева пунктирными стрелками показан порядок изменения формы нанооболочки - пружины при увеличении давления (нагрузки) на верхнюю подвижную пластину, вертикальными фигурными стрелками показано изменение формы при разгрузке.

На Фиг.4 показаны рассчитанные зависимости величины зазора между пластинами от приложенного напряжения, расчеты выполнены для нанооболочки - пружины из полупроводникового материала InAs, толщиной 6 нм и деформации несоответствия параметров решетки, равной 2%, для длины подложки: а) 750 нм; б) 1000 нм; в) 1200 нм.

На Фиг.5 показаны рассчитанные зависимости пороговых значений вертикального давления, вызываемого электростатическим притяжением пластин от толщины нанооболочки - пружины, пороговые значения Iii соответствуют переходу от состояния с одним гофром к состоянию с двумя гофрами, а IIii соответствуют переходу от состояния с двумя гофрами к состоянию с четырьмя гофрами, расчет проведен для исходной полупроводниковой пленки InAs, толщиной 6 нм, деформации, равной 2%, и длины подложки: а) 750 нм; б) 1000 нм; в) 1200 нм.

На Фиг.6 представлена таблица величин пороговых значений вертикального давления, при которых происходит изменение формы нанооболочки - пружины.

На Фиг.7 приведена схематическая иллюстрация работы торсионного электростатического двигателя с гофрированной нанооболочкой - пружиной: а) схематичное изображение исходной структуры с гофрированной нанооболочкой - пружиной, расположенной в зазоре между пластинами; б) схематичное изображение двигателя с подвижной верхней пластиной; в) вращение верхней пластины в результате изменения формы правой половины нанооболочки - пружины за счет электростатического притяжения (при притяжении правой части нанооболочки - пружины к нижней неподвижной пластине, верхняя подвижная пластина поворачивается вправо); г) при притяжении левой части нанооболочки - пружины верхняя подвижная пластина поворачивается влево; где 1 - неподвижная пластина (подложка), 2 - подвижная пластина, 3 - нанооболочка - пружина, 4 - жертвенный слой.

На Фиг.8 показаны краевые гофрированные нанооболочки - пружины: а) форма краевой гофрированной оболочки Si_0,6Ge_0,4/Si (толщина, соответственно, 11 нм/8 нм), полученная с помощью атомно-силового микроскопа, период гофрировок 2,5 мкм, высота 120 нм; б) гофрировки на краях полосок SiGe пленки, толщиной 90 нм, период гофрировок 2 мкм; в) гофрировки на краю InGaAs/GaAs пленки, толщиной 70 нм; г) схематичное изображение упруго взаимодействующих краевых гофрированных нанооболочек - пружин; д) упруго взаимодействующие SiGe/Si гофрировки (ширина полосок 10 мкм, толщина пленки 50 нм).

На Фиг.9 представлены краевые гофрированные нанооболочки - пружины с разным периодом и высотой гофров: а) схематичное изображение гофрировок, период которых возрастает по мере травления латерально вглубь жертвенного слоя; б) гофрировки, содержащие гофры с разным периодом и высотой, полученные на одной и той же SiGe пленке.

На Фиг.10 приведены куполообразные нанооболочки- пружины:

а) схематичное изображение куполообразной нанооболочки - пружины, касающейся верхней подвижной пластины в одной точке; б) схематическое изображение прилегающей к подвижной пластине круговой области; в) экспериментальная фотография куполообразной нанооболочки - пружины SiGe толщиной 150 нм, касающейся в одной точке (размер квадрата 8 мкм × 8 мкм); г) экспериментальная фотография куполообразной нанооболочки - пружины Si в фазе формирования круговой области, прозрачной для света (хорошо видна сплюснутая вершина выпуклой куполообразной оболочки (размер квадрата 8 мкм × 8 мкм); д) InGaAs нанокупола (размер квадрата 100 нм × 100 нм); реальные изображения получены на атомно-силовом микроскопе.

На Фиг.11 приведены электронно-микроскопические изображения экспериментальных структур, иллюстрирующих двукратное уменьшение периода гофрированной нанооболочки - пружины при ее сжатии в случае

GaAs-200 hm/In_0,35Ga_0,65As-2 нм гофрировки на GaAs подложке: а) исходная структура с нанооболочкой - пружиной в зазоре между неподвижной пластиной (подложкой) и верхней прозрачной подвижной пластиной; б) та же структура, но после приложения смещения к прозрачной подвижной пластине и подложке, с периодом гофрировки, уменьшенным в 2 раза (хорошо видно, что количество гофров с максимальной высотой удвоилось, в то время как гофры у верхнего края с малой высотой остались неизменными, поскольку верхняя нагружаемая прозрачная пластина была параллельна подложке и не касалась мелких гофров).

На Фиг.12 показаны структуры, предназначенные для изготовления электростатических микро-, нанодвигателей: слева схематичная иллюстрация, светлым обозначены жертвенные слои, справа - экспериментальные результаты (электронно-микроскопические изображения поперечных сечений структур), в верхней части приведена структура, на базе которой изготавливался двигатель с накладной верхней подвижной пластиной, в средней части показана структура с InGaAs нанооболочкой - пружиной, практически готовая для использования в качестве двигателя (необходимо только сделать подвижной часть верхней пластины), в нижней части приведен один из многочисленных, более сложных, вариантов структуры, в котором нанооболочка - пружина InGaAs получена также методом самоформирования.

На Фиг.13 приведены протяженные гофрированные нанооболочки - пружины: а) схематическое изображение; б), в), оптические и г), д) электронно-микроскопические экспериментальные фотографии, иллюстрирующие возможность масштабирования характерных размеров InGaAs нанооболочек - пружин от микрометров до нанометров.

На Фиг.14 представлено: а) гофрированная нанооболочка - пружина графена (одноатомного слоя углерода), изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа; б) профиль поперечного сечения гофрированной оболочки графена (вдоль линии А, показанной в части а) данной фигуры).

На Фиг.15 схематически представлена нанооболочка - пружина в многослойном исполнении со сжатыми и растянутыми слоями: а) гофрировка из напряженной трехслойной пленки со сжатыми внешними слоями с толщиной периодически модулированной за счет внешних, сжатых, слоев; б) гофрировка, выполняющая одновременно функцию электрода, при отработке статического воздействия; где 1 - неподвижная пластина (подложка), 5 - сжатый внешний слой, 6 - растянутый внутренний слой.

На Фиг.16 приведены фотографии реального микро-, нанодвигателя с закрепленной верхней подвижной пластиной посредством латеральных пружинок, с краевой гофрировкой, используемой в качестве нанооболочки - пружины: а) вид сверху; б) вид сбоку (сечение); в) массив краевых гофрировок - нанооболочек - пружин (верхняя подвижная пластина, функцию которой выполняет пленка GaAs, удалена); г) укрупненное изображение нанооболочки - пружины, выполненной в виде краевой гофрировки по периметру четырехугольника, ориентированной освобожденной от связи с подложкой частью внутрь.

На Фиг.17 приведены вольт-фарадные характеристики, полученные при испытаниях лабораторных образцов двигателей, изготовленных на структурах с нооболочкой - пружиной In_0,15Ga_0,85As толщиной 20 им: а) вольт-фарадная характеристика двигателя, реализованного на краевых гофрировках по периметру четырехугольников, ориентированных освобожденной от связи с подложкой частью внутрь четырехугольника, при прямом и обратном ходе, характер изменения емкости при увеличении и уменьшении напряжения показан стрелками; б) вольт-фарадная характеристика двигателя, реализованного на краевых гофрировках, выполненных на противолежащих сторонах по периметру четырехугольника, ориентированных освобожденной от связи с подложкой частью внутрь четырехугольник; в) вольт-фарадные характеристики двигателя с грузом и без него на верхней подвижной пластине.

Достижение технического результата базируется на использовании уникальных высокоточных нанооболочек - пружин (оболочек нанометровой толщины), которые помещают в микро-, нанозазор между пластинами электростатического двигателя, выполняющими функцию обкладок конденсатора с варьируемой величиной зазора. Нанооболочки - пружины изготавливают из напряженных твердотельных пленок, которые при локальных отсоединениях от подложки (пластины) (см. Фиг.1) трансформируются в нанооболочки заданной формы: в виде гофрировок, полусфер и других форм (см. Фиг.1-3, Фиг.7-16). Основным фактором для достижения технического результата является то, что данные нанооболочки - пружины расположены между пластинами электростатического двигателя и способны менять свою форму и, соответственно, увеличивать коэффициент упругости, по мере сближения пластин. Расположение упругих нанооболочек - пружин между пластинами электростатического двигателя в сочетании с возможностью высокоточного задания микро- или нанозазора между пластинами, возможностью широкого выбора материалов для ее изготовления, возможностью высокоточного задания толщины нанооблочки - пружины, ее атомарной гладкости, и увеличения жесткости нанооболочки - пружины по мере сближения пластин при приложении электростатического воздействия, в сумме, позволяют достичь расширения функциональных возможностей и областей применения; увеличения диапазона перемещений; прецизионности перемещения; увеличения мощности двигателей.

При формировании нанооболочки - пружины из механически напряженного (сжатого) слоя локальным отсоединением от неподвижной пластины (подложки) в зависимости от площади и геометрической конфигурации отсоединяемой области механическинапряженной пленки (пленочного элемента), она преобразуется в оболочку той или иной формы.

Простейшей, с точки зрения формирования, нанооболочкой - пружиной является протяженная гофрировка (см. Фиг.1, Фиг.2). Протяженную гофрировку получают в результате отсоединения средней части пленочного элемента, выполненного в виде полосы, при котором участки концов полосы остаются связанными с подложкой, за счет чего осуществляется фиксация нанооболочки - пружины (см. Фиг.1). В наиболее простом случае нанооболочка - пружина содержит всего один напряженно сжатый слой. Напряженно сжатый слой может быть сформирован методом эпитаксии из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки большую, чем у материала неподвижной пластины (подложки) (см. Фиг.1а)). На пластине (или подложке) эпитаксиально выращивают гетеропленку из последовательности жертвенный слой, механически сжатый слой, являющийся после освобождения от связи с подложкой функциональным элементом нанооболочки - пружины (см. Фиг.1б)), соблюдая условия псевдоморфного роста, при котором каждый последовательно выращенный слой наследует постоянную кристаллической решетки пластины (подложки). В ходе последующего направленного бокового травления жертвенного слоя, на котором расположен выполненный пленочный элемент в виде полосы напряженно сжатого слоя, происходит отделение его средней части от пластины (или подложки) (см. Фиг.1 в)). Так как межатомные силы в сжатом слое стремятся увеличить расстояние между атомами, то линейные размеры пленки увеличиваются, что приводит к изгибу, выпучиванию пленки, и формированию гофрировки. Таким образом, в результате действия внутренних (встроенных в слой) упругих сил деформаций, слой приобретает выпученную форму (гофр), соответствующую минимальной энергии внутренних напряжений. Противоположные концы нанооболочки - пружины зафиксированы на неподвижной пластине (подложке) (см. Фиг.1в)), так как при латеральном травлении жертвенный слой успевает раствориться только в средней части.

Выше было сказано, что нанооболочки - пружины могут быть той или иной формы. При отсоединении от пластины (подложки) локальных участков пленочного элемента, например, выполненного в виде круга или квадрата, отсоединяемая сжатая пленка в этой области расширяется и выпучивается, образуя нанооболочку - пружину в виде, например, гофрировки с более чем одной складкой (гофром), краевые гофрировки, полусферы или купола, края которых остаются зафиксированными (см. Фиг.7-13).

Важно подчеркнуть, что еще на этапе выращивания многослойной гетероструктуры (см. Фиг.1а)) можно с высокой точностью задавать исходное расстояние между пластинами, высоту и период гофрировки микро-, нанодвигателя. Толщину нанооболочки - пружины (или гофрировки) можно задавать в интервале от единиц нанометра до микрометра, в соответствии с расстоянием между пластинами. Деформация сжатия задается несоответствием параметров решетки подложки (пластины) и выращиваемого сжатого слоя. Для тонких пленок деформация может достигать гигантской величины в 7-5%.

Ранее проблема создания электростатического микро-, нанодвигателя и проблема нанооболочки - пружины не рассматривались. Методом самоформирования изготавливали структуры для квантовых приборов. Суть нашего подхода заключается в применении: а) жертвенного слоя; б) направленного травления и селективного удаления жертвенного слоя; в) формирования и использования упругонапряженного слоя за счет несоответствия постоянных решеток материала гетеропленки и подложки; г) формирования области отсоединяемой напряженной пленки или задания геометрии отсоединяемого пленочного элемента. Приведенные ниже экспериментальные структуры выращены и сформированы нами впервые. Процесс выпучивания напряженных пленок в макромире известен и описывается теорией упругости. Однако в наномире, в котором электростатические силы становятся гигантскими, никто ранее не занимался проблемой формирования нанооболочек - пружин и их помещения в микро-, нанозазор между пластинами. Нами впервые продемонстрировано формирование такого класса структур. Следует подчеркнуть, что из уровня техники не известны какие-либо другие способы помещения нанооболочки - пружины в микро-, нанозазор между пластинами электростатического двигателя.

Отметим, что ключевыми моментами в реализации электростатического микро-, нанодвигателя являются: во-первых, процесс формирования нанооболочки - пружины при отсоединении от подложки пленочного элемента напряженно сжатой пленки носит характер самоформирования; во-вторых, нанооболочка - пружина автоматически размещается в зазоре между пластинами двигателя.

Итак, предлагаемые конструкции микро-, нанодвигателей базируются на самоформирующихся и самособирающихся прецизионных упругих твердотельных нанооболочках -пружинах, причем автоматически размещаемых в микро-, нанозазоре между пластинами, обладающих способностью при приложении внешнего воздействия изменять свою форму и, соответственно, изменять свой коэффициент упругости.

Нанооболочку - пружину с зафиксированными концами или краями следует рассматривать как упругую пружину, которая по мере увеличения деформации сдавливающим усилием преобразуется в более жесткую нанооболочку - пружину, с меньшими характерными периодами и размерами. Таким образом, при подаче от источника питания разности потенциалов, вызывающей движение пластины, нанооболочка - пружина за счет внутренних упругих механических напряжений способна изменять форму и действовать подобно пружине, с возрастающим коэффициентом упругости, препятствуя сближению пластин,

Авторазмещение в микро-, нанозазоре между пластинами нанооболочки - пружины предотвращает явление слипания пластин (электродов), устраняет причины, препятствующие достижению технического результата в вышеописанных известных технических решениях.

Рассмотрим детально физическую сторону достижения технического результата.

Пусть между плоскопараллельными пластинами (1) и (2) электростатического микро-, нанодвигателя размещена нанооболочка - пружина (3), содержащая механически напряженные слои, выполненная в виде гофрировки наиболее простой формы, то есть в виде одной волнистой складки, или гофра (см. Фиг.2). Противоположные концы полученной вышеописанным методом нанооболочки - пружины (3) зафиксированы на неподвижной пластине (1) (подложке). Нанооболочка - пружина (3) касается верхушкой единственного гофра подвижной пластины (2). Длина нанооболочки - пружины (3) больше длины пластины (1) (подложки) (расстояние между зафиксированными концами нанооболочки - пружины (3) - l (см. Фиг.2б))). В средней части исходная пленка, отделенная от пластины (1) (подложки), выпучивается и приобретает форму гофра.

На Фиг.2 а) показано состояние микро-, нанодвигателя, при котором деформация в результате действия электростатических сил (изменение формы) нанооболочки - пружины (3) отсутствует, давление на подвижную пластину (2) не оказывается. Изменяя величину давящего усилия со стороны подвижной пластины (2), смещаемой в направлении нормали неподвижной пластины (1), можно управлять высотой h, формой и количеством гофров.

При подаче разности потенциалов от источника питания к пластинам (1) и (2) под действием силы притяжения, вызывающей движение пластины (2) по направлению к неподвижной пластине (1), или приложении механического давления Р возникает деформация (изменение первоначальной формы) нанооболочки - пружины (3) (см. Фиг.2б)). Если в исходном положении (см. Фиг.2а)) имелось касание только самых верхних точек единственного гофра нанооболочки - пружины (3) к подвижной пластине (2), а вотношении неподвижной пластины (1) - только в точках концов, то по мере уменьшения зазора (Фиг.2, Фиг.3) между пластинами (1) и (2) под действием электростатической силы или приложением механического давления к подвижной пластине (2), относительно нанооболочки - пружины (3) возникает давящее усилие и площадь соприкосновения нанооболочки - пружины (3) с пластиной (2) увеличивается. По мере увеличения напряжения, прикладываемого к пластинам (1) и (2), площадь соприкосновения l₂ (см. Фиг.2 б)) нанооболочки - пружины (3) с пластиной (2) увеличивается, увеличиваются также и механические напряжения сжатия в нанооболочке - пружине (3), вызывающие изменение ее формы, также растет сила F, действующая в местах крепления нанооболочки - пружины (3) к неподвижной пластине (1) (подложке). При образовании достаточно протяженной в направлении к закрепленным концам прилегающей части нанооболочки - пружины (3), в области прилегания может произойти потеря устойчивости. Когда величина механического напряжения сжатия в областях соприкосновения достигает пороговой величины, плоская, соприкасающаяся с пластиной (2) часть нанооболочки - пружины (3) становится неустойчивой, она резко прогибается по направлению к пластине (1). В результате чего из одного гофра (волнистой складки) формируется два гофра (см. Фиг.3, правая часть б), (II.i)).

Нанооболочка - пружина (3) изменяет свою первоначальную форму скачкообразно, принимая форму, соответствующую устойчивому состоянию. Скачкообразно, то есть в режиме переключения, изменяется и количество гофров при деформации нанооболочки - пружины (3). После переключения каждый из сформированных гофров находится в одинаковых условиях.

Пластины (1) и (2), между которыми размещена нанооболочка - пружина (3), выполненная в рассматриваемом случае непроводящей, являются обкладками плоского воздушного конденсатора. Величина вертикального давления Р определяется величиной электрического напряжения на конденсаторе V. Зависимость Р от V можно представить в виде:

где S-площадь пластин;

[Ф/м]-диэлектрическая постоянная;

h - расстояние между пластинами конденсатора, а также и высота гофров.

Таким образом, изменяя напряжение на конденсаторе (или пластинах (1) и (2)) и, следовательно, величину вертикального давления, можно управлять через расстояние между пластинами h формой и количеством гофров нанооболочки - пружины (3), расположенной между пластинами конденсатора. Характерный график зависимости величины зазора от величины приложенного к пластинам (1) и (2) напряжения приведен на Фиг.3. Увеличение напряжения приводит к нелинейному уменьшению зазора и высоты гофров, чем больше напряжение, тем меньше изменяется величина зазора и высота гофров и, следовательно, форма нанооболочки - пружины (3), что свидетельствует об увеличении ее жесткости. Последнее означает, что чем значительнее будет сближение пластин, тем большее сопротивление будет оказывать нанооболочка - пружина, препятствуя сближению.

Расстояние между пластинами (1) и (2) уменьшается практически до нуля. Наноболочка - пружина (3) выполняет функцию пружины с изменяющимся коэффициентом упругости, величина которого возрастает по мере уменьшения расс