МЭМС-ТЕХНОЛОГИЯ В АЭРОДИНАМИКЕ
Два года назад по инициативе Президиума СО РАН для решения
крупных научных проблем, требующих привлечения научного
потенциала, накопленного в различных областях знания, была
образована Комиссия под председательством академика В.Титова и
объявлен конкурс по междисциплинарным интеграционным проектам.
Один из конкурсных проектов - "Разработка
микроэлектромеханической системы управления
ламинарно-турбулентным переходом в пристенных течениях", -
осуществлялся при сотрудничестве институтов Теоретической и
прикладной механики и Физики полупроводников СО РАН.
Проект
выполнялся в 2000-2001 гг., и был направлен на разработку
составляющих микроэлектромеханической системы управления
пристенными течениями и проверку работоспособности созданных
устройств в аэродинамическом эксперименте. Основанием для
реализации проекта послужил научный задел, который был накоплен в
лаборатории Виктора Козлова (ИТПМ СО РАН), в понимании механизмов
турбулизации различных пристенных течений. На платформе этих
знаний разработаны различные методы управления процессами
развития возмущений, инициирующих турбулизацию течения. С другой
стороны, - возможности коллектива ИФП СО РАН (лаборатория к.т.н.
Е.Черепова) разрабатывать и создавать элементы
микроэлектромеханических систем на основе МЭМС-технологии,
которые могут быть использованы для создания автоматизированных
блоков управления параметрами течения в реальном масштабе времени
и любой точке пространства (сенсор-микропроцессор-актюатор).
Следует отметить, что сотрудничество полезно обоим научным
коллективам. В частности, для аэродинамиков такое взаимодействие
инициирует исследования, направленные на более детальное
понимание механизмов турбулизации течений и управления этими
процессами; а для микроэлектронщиков - разработку и создание
новых микроустройств в соответствии с рекомендациями
аэродинамиков.
 |
|
С результатами исследований по завершенному междисциплинарному
проекту доктор физико-математических наук В.Козлов познакомил
ведущих ученых СО РАН на заседании Президиума. Решением
Объединенного ученого совета СО РАН отчет был одобрен, и
предложено продолжить работу. Важность и актуальность этого
направления неоспорима для науки и для практики. К этой проблеме
привлечено внимание многих научных коллективов во всем мире. В
этом контексте В.КОЗЛОВ рассказывает о работах в Сибирском
отделении РАН специально для "НВС".
В течение последних 5-10 лет в индустриально развитых странах
мира произошла очередная научно-техническая революция, приведшая
к появлению МЭМС-микроэлектромеханических систем. В основе
развития и практического применения технологий МЭМС лежат чисто
экономические факторы. Известно, что массовое производство
микросхем чрезвычайно дешево. В то же время классические
промышленные технологии, используемые при изготовлении
традиционных электромеханических устройств, характеризуются
резким увеличением себестоимости производства по мере снижения
линейных размеров (и роста точности изготовления) деталей
механических систем. Этим и обусловлены попытки изготовления как
отдельных деталей механической части, так и всего изделия в целом
в едином технологическом производственном процессе, что при
массовом производстве низводит себестоимость всего
электромеханического блока практически к нулю. Кроме того,
результирующее изделие получается функционально полным с
микрометровыми размерами и с минимальным энергопотреблением. В
настоящее время, вобрав в себя ноу-хау микроэлектроники, точной
механики и ряда других специфических технологий, сформировалась
совокупность технологических процессов, позволяющих создавать
различные элементы микроэлектромеханических устройств. На этой
основе производится широкий спектр миниатюрных устройств
различного применения с размерами элементов от нескольких
микрометров до нескольких миллиметров. Такие устройства с
элементами механики, включающие сенсоры, исполнительные элементы
и источники энергии получили название микроэлектромеханических
систем. Области их применения охватывают вычислительную технику и
телекоммуникации, биологию, медицину, химию, мониторинг
окружающей среды, автомобилестроение, космические исследования,
авиационные технологии и т.д. Ярким примером междисциплинарных
исследований, направленных на использование таких устройств,
является новое научное направление, впервые заявленное на
конференции в Гонконге и нашедшее свое продолжение в Берлине. Это
направление связано с применением микроэлектромеханических систем
(MEMS) для активного управления пограничным слоем в механике
жидкости и газа. Такая система включает в себя микродатчики,
микроактюаторы (активные механические элементы) и
микропроцессоры, образующие нейронную сеть (схема показана на
рисунке).
 |
|
Сигналы с датчиков обрабатываются в соответствии с алгоритмами
распознавания образов. Затем выдаются управляющие сигналы на
актюаторы, которые вызывают изменения микроструктуры потока.
Таким образом мы получаем "думающую", активную поверхность. Одна
из главных целей управления потоком заключается в снижении
сопротивления. Как тут не вспомнить дельфинов, снижающих свое
гидродинамическое сопротивление с помощью бегущей вдоль тела
волны. Хотя такой подход выглядит фантастическим, тем не менее -
это реалии сегодняшнего дня. На основе МЭМС-технологии уже
производятся различными фирмами микросенсоры: давления, скорости,
пульсаций скорости и т.д.; и микроактюаторы: микрозакрылки,
микронасосы, микродвигатели и т.д. Перспективность данного
направления в науке и технологии - очевидна. В частности, для
снижения сопротивления трения летательных аппаратов, повышения их
устойчивости и управляемости, предотвращения отрыва пограничного
слоя. И эта очевидность связана прежде всего с возможностью
глобального слежения за состоянием течения в пространстве и
времени и мгновенного реагирования на те или иные нежелательные
процессы в нем. Кроме того, привлекает низкая стоимость таких
устройств при их массовом производстве (о чем уже говорилось), по
сравнению с традиционными механизмами управления течением,
изготавливаемых по технологии машиностроения.
Учитывая современные тенденции прорыва МЭМС-технологии в
различные отрасли науки и техники, следует отметить, что
создаваемые микроэлектромеханические системы и отдельные элементы
этой системы не всегда отвечают запросам той или иной конкретной
задачи. Зачастую сделав то или иное очередное микроустройство,
его создатели просто просят попробовать применить это устройство
"где-нибудь, для чего-нибудь". Так было, например, с
микроэлектродвигателем.
Естественно, что наиболее оптимально в данном случае
сотрудничество разработчика и изготовителя
микроэлектромеханических систем (устройств) со специалистами в
той или иной области знаний, способных поставить конкретную
задачу. В этом контексте очень продуктивным оказалось
сотрудничество Института теоретической и прикладной механики и
Института физики полупроводников СО РАН в рамках
междисциплинарного интеграционного проекта "Разработка
микроэлектромеханической системы управления
ламинарно-турбулентным переходом в пристенных течениях".
Согласно первоначальному плану работы, в течение первого года
осуществлялись изготовление и тестирование сенсора (датчика
давления); второго года - актюатора (микроинжектора).
Изготовленный вариант сенсора представлял собой
тензопреобразователь с мембранным упругим элементом из кремния с
поликремниевым тензорезистивным слоем. Применимость
изготовленного датчика давления была проверена в аэродинамической
трубе дозвуковых скоростей потока. Выбранная для этого тестовая
задача представляла собой обтекание крыла конечного размаха,
расположенного при близких к критическому углах атаки. В этих
условиях над верхней поверхностью модели могут возникать два
хорошо изученных устойчивых режима течения: безотрывный и со
срывом потока вблизи передней кромки крыла. Показания датчика
дали возможность идентифицировать течение в присоединенном
турбулентном пограничном слое и при отрыве потока как по величине
среднего давления, так и по уровню пульсаций, который
относительно велик при безотрывном турбулентном обтекании. Малая
инерционность сенсора позволила также зафиксировать переходное
состояние - процесс глобальной перестройки течения у поверхности
крыла.
Известны различные методы воздействия на пристенные течения
внесением в них малых локализованных в пространстве возмущений,
которые позволяют изменять интегральные характеристики обтекания
тела. При оптимальном расположении источника возмущений и
правильно выбранной частоте воздействия, гидродинамическая
неустойчивость течения приводит к усилению возбуждаемых колебаний
и, в итоге - к перестройке всего поля скорости. В задаче
предотвращения срыва потока с передней кромки крыла,
расположенного под большим углом атаки, требуемый эффект может
быть достигнут при генерации колебаний через поперечную щель в
поверхности модели, расположенную вблизи точки отрыва. Результаты
предварительных исследований послужили обоснованием метода
воздействия на пристенное течение, который был выбран при
проектировании актюатора: периодический вдув газа в поток через
обтекаемую поверхность. В работу актюатора, созданного на основе
микроэлектронной технологии, был заложен электростатический
принцип возбуждения. В результате выполненной работы
спроектированы основные элементы микроэлектромеханической системы
управления пристенными течениями: сенсор (датчик давления) и
актюатор (микроинжектор). Изготовлены экспериментальные образцы
сенсора и актюатора, обследованы их метрологические
характеристики. Для перспективного использования МЭМС проведена
серия экспериментальных аэродинамических исследований, результаты
которых, с одной стороны, обосновали выбор и показали
работоспособность элементов системы управления, а с другой -
расширили фундаментальные представления о механизмах
неустойчивости сдвиговых течений.
Интересно отметить, что московский журнал "Наука производству"
(издательство "Вираж-Центр") свой двенадцатый номер за 2001 год
целиком посвятил разработкам Объединенного института физики
полупроводников СО РАН. В этом специальном выпуске опубликована
научная статья группы авторов, участников интеграционного
проекта - А.Таскина, Б.Фомина, Е.Черепова, В.Гридчина, В.Любимского,
С.Хабарова, А.Довгаля, Г.Грека и автора этих строк: "Датчики
давления мембранного типа для исследования аэродинамических
потоков".
стр.
|
