Состояние и перспективы развития в АО «НИИ «Элпа» направления пьезоактюаторов и приборов на их основе
В настоящее время основными зарубежными производителями пьезокерамических пьезоэлементов и пьезоприборов на их основе являются фирмы Physik Instrumente GmbH (Германия), PI Ceramic (Германия), CeramTec (Германия), Newport (США), Cedrat Technologies (Франция), Morgan Electric (Англия), NEC Tokin (Япония).
Современные зарубежные и отечественные публикации по пьезоэлектрическим изделиям (пьезоэлементы, датчики, актюаторы и т. д.) связаны с исследованиями и разработкой многослойных конструкций на основе тонкопленочных элементов, изготовленных по литьевой технологии. Рынок этих изделий за рубежом в настоящее время составляет более одного миллиарда долларов США и имеет тенденцию уверенного роста.
Уникальное сочетание пьезокерамической и пленочной технологии позволяет автоматически получать многослойные (толщина слоя – от 10 до 150 мкм) конструкции высокоэффективных изделий с низкой себестоимостью на автоматизированных линиях. Малая потребляемая мощность и малые размеры делают их особенно привлекательными в области МЭМС-технологий.
Основные разработчики и производители многослойных тонкопленочных пьезоэлементов используют для их производства специальные керамические материалы с низкой температурой спекания. Фирмы осуществляют исследования, разработку и выпуск таких материалов только для собственного производства, и их химический состав, технология являются ноу-хау фирмы-изготовителя.
В АО «НИИ «Элпа» проведены исследования и разработан типоряд специальных пьезокерамических материалов, создана уникальная технология изготовления многослойных конструкций пьезоэлементов. Разработаны методы контроля и приборы измерения основных параметров технологических процессов изготовления тонкопленочных многослойных пьезоэлементов и пьезоприборов на их основе, а также стендовое испытательное и измерительное оборудование для определения электрофизических параметров.
Актюатор с мультипликатором
В АО «НИИ «Элпа» разработаны конструкция и технология изготовления специальных пьезоактюаторов высокой надежности. Пьезоактюатор размещен в герметичной прозрачной оболочке толщиной 1–1,5 миллиметра, выполненной из специального прозрачного высокотемпературного полимера. Специализированный пьезоактюатор обладает повышенной в два-три раза механической прочностью и стопроцентной влагоустойчивостью при сохранении основных электрофизических параметров. Применение таких актюаторов в пьезоприборах повышает их надежность и механико-климатическую стойкость.
По своему техническому уровню пьезоактюаторы соответствуют лучшим зарубежным аналогам:
- в статическом состоянии при удержании груза в течение длительного периода времени не потребляет энергию, а также имеют высокое быстродействие от 1 мс до 100 мкс в частотном диапазоне от 1000 и более Гц;
- не создают магнитных полей и не реагируют на них;
- надежно работают в жестких условиях эксплуатации при изменении температуры окружающей среды 250 градусов и до минусовых значений, близких к значениям абсолютного нуля.
Многослойный актюатор АПМ-60/20 фирмы АО «НИИ «Элпа», разработанный для гашения вибрации крупногабаритных авиакосмических объектов и развивающий в нормальных условиях эксплуатации перемещение 5 мкм усилие свыше 50 кН, обладает высокой стойкостью к ударным нагрузкам – до 2000 g и более.
Пьезоактюаторы не имеют движущих частей и обладают повышенной долговечностью. Срок службы составляет 1010 импульсов и более.
Проведенные в Cedrat Technologies непрерывные шестимесячные испытания многослойных пьезоактюаторов АПЛ 200 при напряжении +150 В и постоянном токе с частотой 600 Гц подтвердили предел непрерывной работы в течение 1010 циклов.
Платформа линейного типа
Проведенные в АО «НИИ «Элпа» в течение трех лет испытания многослойных пьезоактюаторов АМП-2-15 на долговечность при температуре окружающей среды +25 градусов при напряжении постоянного тока +100В с частотой 50 Гц подтвердили, что электрофизические параметры (перемещение, статическая емкость, сопротивление изоляции) изменяются незначительно и после наработки 5х109 импульсов изменения составляют 3–5 процентов. Пьезоактюаторы АМП-2-15 обладают повышенной радиационной стойкостью.
Во время и после воздействия специальных внешних факторов 7.Н, 7.С, 7.К многослойные пьезоактюаторы и пьезоплатформы прошли экспериментальную проверку соответствующих уровню 6Ус к воздействию специальных факторов и подтвердили свою работоспособность.
Уникальные параметры пьезоэлектрических изделий, выполненных из многослойных пьезоэлементов, показывают перспективность их применения в приборостроении.
Зарубежные публикации в открытой печати об исследованиях и разработке пьезоэлектрических изделий для аэрокосмической области имеют ограниченный характер, что связано с ноу-хау и
секретностью информации. В основном приводятся данные описательного характера, без уточнения эксплуатационных и технических параметров.
Последние разработки АО «НИИ «Элпа» по исследованию и созданию многослойных пьезоэлементов указывают на их перспективное применение в аэродинамическом приборостроении. В настоящее время госкорпорацией «Роскосмос» подтверждена лицензия АО «НИИ «Элпа» на осуществление космической деятельности.
Актюатор в высокотемпературном полимере
Научно-технический задел АО «НИИ «Элпа», полученный в ходе исследований и разработок многослойных пьезоэлементов, изготовленных методом литьевой технологии, и пьезоприборов на их основе, позволяет обеспечить создание перспективных и высокоэффективных систем для аэрокосмического приборостроения.
АО «НИИ «Элпа» разработало и поставило для подстройки космического интерферометра (разработка АО ГосНИИхиманалит, Санкт-Петербург) специальные многослойные пьезоактюаторы типа АМП1-15М (5х6х40 мм), обеспечивающие подстройку с нанометрической точностью, что позволило повысить разрешение интерферометра до уровня 1 ррм и менее.
Применение многослойных пьезоактюаторов в лазерно-оптических системах обеспечивает их автоматическое управление и подстройку.
В АО «НИИ «Элпа» по заказу АО «Луч» разработаны специальные многослойные миниатюрные пьезоактюаторы АПМ 10/10 для управления и контроля оптико-электронными лазерными системами.
Также была проведена разработка макетного образца пьезокерамической вибрационной головки для вибробура грунтозацепного устройства космического аппарата «Фобос-Грунт» по договору с ФГУП НПО имени С. А. Лавочкина. Разработанная вибрационная пьезокерамическая головка является аналогом ультразвуковой головки бурильщика для отбора проб для марсоходов.
Перспективной областью применения многослойных пьезоактюаторов стало использование в системах управления адаптивными многоэлементными деформирующими зеркалами мощных лазеров и адаптивными зеркалами для оружия направленной энергии воздушного базирования.
Применение многослойного пьезоэлектрического актюатора типа МПП-6х6 вместо ранее используемого пакетного преобразователя типа ППУ-2 в лазерных установках термоядерного синтеза УФМ обеспечивает заданную величину деформации при снижении габаритов в 30 раз, массы в 40 раз, уменьшение управляющего напряжения в 3 и более раз, увеличивается быстродействие в 6 раз.
Платформы наклонного типа
Платформы наклонного типаНИИ НПО «Луч», создатель адаптивных оптических систем, разрабатывает типоряд, где в системах контроля и управления используются многослойные пьезоэлектрические актюаторы типа АМП-2, поставляемые АО «НИИ «Элпа».
За рубежом адаптивные оптические системы с нанометрическим разрешением применяются в системах управления наземными оптическими и аэрокосмическими антеннами, обеспечивающими локацию во времени и пространстве и позволяющими снизить габаритные параметры в 3–5 раз, энергопотребление в 4–5 раз одновременно с повышением разрешения и быстродействия.
Применение многослойных пьезоактюаторов перспективно в системах подстройки спутниковых антенн с высокой точностью – не менее 1 мкм и быстродействием до 100 мкс.
По заказу Швейцарского центра электроники и микротехнологии и NTE фирма Cedrat Technologies разработала специальные многослойные пьезоактюаторы типа АРА 500ХХС для нанопозиционирования и стабилизации зеркал для космического проекта ESO. Размер зеркала 2,4х3 метра, с помощью пьезоприводов на основе многослойных пьезоактюаторов типа АРА 500ХС обеспечивается его ход 500 мкм с разрешением 5 нм, ширина полосы рабочих частот составляет 100 Гц, блокирующая сила – 20 кН.
Фирма Рhysik Instrumente изготовила и поставила типоряд многослойных пьезоактюаторов для космических систем Mars Misson NASA, а также актюаторы такого же типа для зеркала антенны Европейской лаборатории ESP (диаметром 39 м) и зеркала телескопа ALMA в Чили (64 сектора).
Для астрономической лаборатории в Марселе разработаны и поставлены многослойные пьезоактюаторы АРА 230 фирмы-изготовителя Cedrat Technologies, обеспечивающие прямое перемещение и боковое движение при деформации зеркала с нанометрической точностью (диаметр телескопа – 35 м).
Для управления движением космической антенны с нанометрической точностью АО «НИИ «Элпа» разработало и поставило в научно-исследовательский институт точных приборов (НИИТП) многослойные пьезоактюаторы АПМ 1-16.
Перспективным направлением для аппаратуры, используемой в космосе, являются разработки пьезоэлектрических систем управления антеннами различного назначения, управления зеркалами систем лазерно-радиолокационных комплексов, систем направленной энергии (СВЧ и другими энергиями).
Фирма Cedrat Technologies разработала для космического аппарата Miclas космической миссии Rosetta и поставила по контракту ESAL ESTER многослойные пьезоэлектрические актюаторы АРА 50S и АРА 10, а также сборки на их основе для механизма сканирования с нанометрической точностью атомного силового микроскопа CAFN. Функционал этого механизма должен обеспечивать сканирующие движения с нанометрическим разрешением зонда в атомном силовом микроскопе (ASM) в жестких режимах эксплуатации в космосе.
Блоки пьезогенератора электрической энергии
Блоки пьезогенератора электрической энергииВ настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию информационно-измерительных и управляющих систем, способных принимать и идентифицировать электромагнитные сигналы от беспроводных датчиков малой мощности, встроенных в различные конструкции сетей передачи информации и расположенных в любых, в том числе и труднодоступных местах, где возможности централизованного питания ограниченны. Большое число элементов в таких информационных беспроводных сетях практически исключает возможность многолетнего поддержания их работоспособности путем регулярной или выборочной замены источников питания. Достижения в области создания маломощных СБИС наряду с низкими коэффициентами заполнения беспроводных датчиков уменьшают требования к питанию до диапазона десятков и сотен микроватт. Связанная с этим низкая потребляемая мощность открывает возможность обеспечения питанием сенсорных узлов посредством извлечения энергии из окружающей среды, устраняя необходимость в батареях и увеличивая срок службы датчиков.
В АО «НИИ «Элпа» был проведен цикл исследований возможности создания на основе многослойных пьезоактюаторов осевого типа пьезогенератора, работающего в жестких условиях эксплуатации.
С учетом этих исследований в АО «НИИ «Элпа» был разработан типовой модуль пьезоэлектрического генератора на базе пленочных пьезоактюаторов, преобразующих механическую энергию давления от 106 до 108 Н/м в электрическую энергию.
Модульная конструкция позволяет собирать их в линейку под конкретные задачи автономного обеспечения электроэнергией, а также устанавливать на автомобильные и железные дороги.
Пьезоэлектрический генератор работает автономно в течение продолжительного времени с относительно малой электрической энергией, произведенной за один цикл сжатия-расширения. Поэтому используют накопление и хранение энергии в основном для циклической зарядки аккумуляторной батареи.
Так, механические колебания космических аппаратов до 2 g и более позволяют за один цикл получить электроэнергию до 100 мкВт и при нормальном полете накопить электрическую энергию за один день до 80 Вт.
За рубежом приведены результаты исследований возможности создания пьезоэлектрических генераторов энергии на основе многослойных пьезоэлектрических актюаторов осевого типа.
Компания Cedrat Technologies разработала на базе многослойных пьезоактюаторов осевого типа АРА 60SM пьезогенератор, который преобразует механические ударные нагрузки в электроэнергию в количестве, достаточном для питания радиолокационного передатчика для его работы в радиусе до 10 метров.
В сообщении говорится, что на макетном образце пьезогенератора М412 на частоте 5 Гц была получена электрическая мощность 230–400 мкВт.
Системы активной виброзащиты и снижения уровня шума на основе многослойных пьезоактюаторов в отличие от традиционных электромеханических систем виброзащиты позволяют:
- уменьшить массогабаритные показатели системы в 10 и более раз;
- снизить энергопотребление системы более чем в пять раз;
- обеспечить работу пьезогенераторов в частотном диапазоне от единицы Гц до кГц.
Проведенные Институтом машиноведения РАН имени академика А. А. Благонравова (ИМАШ РАН) совместно с АО «НИИ «Элпа» предварительные исследования многослойных пьезоактюаторов в системах активного гашения вибрации подтвердили перспективность их применения в этой области техники. Созданные на их основе системы виброзащиты будут обладать совокупностью важных свойств, а именно:
- высокой широкополосностью и равномерностью электромеханического преобразования, позволяющей осуществлять гашение вибрации в диапазоне частот до нескольких декад;
- незначительной зависимостью от интенсивности и линейности преобразования от изменений квазистатической нагрузки;
- большой несущей способностью, позволяющей устанавливать многослойные пьезоактюаторы с опорными виброизоляторами.
Предварительные исследования, проведенные ИМАШ РАН и СКБ «Морские технологии», показали, что активная система гашения вибрации гидроакустического шума в циркуляционных трактах охлаждения подводных лодок на основе применения многослойных пьезоэлектрических преобразователей уменьшает значение до 10–12 дБ. За рубежом интенсивно ведутся исследования снижения вибрации корпуса и двигателя самолетов и вертолетов в полтора-два раза. Экспериментально подтверждена возможность подавления изгибно-крутящего флаттера крыла до 70 процентов.
Созданы активные системы гашения вибрации корпуса самолета с целью снижения уровня шума в салоне самолета до 10 и менее дБ.
Канадская авиастроительная компания Bombardier выпускает гражданские самолеты с уровнем шума в салоне ниже обычного в четыре раза. В самолете реализована активная система гашения вибрации корпуса на основе применения многослойных пьезоэлементов. Активная система виброгашения различима на фюзеляже самолета, а управление осуществляется звуковыми датчиками, находящимися в салоне, с последующей выдачей управляющего сигнала наружных систем виброгашения.
Фирма Cedrat Technologies для уменьшения шума в салоне самолета для итальянской авиастроительной и космической корпорации ALENIA разработала специальные многослойные пьезоактюаторы типа APA-900М.
Созданные многослойные пьезоактюаторы могут использоваться при гашении вибраций корпусов космических объектов, а также в различных космических платформах с активным гашением вибраций и других механических воздействий.
АО «НИИ «Элпа» разработаны специальные многослойные пьезоактюаторы АПМ-1.
По своим техническим характеристикам пьезоактюаторы АПМ-1 соответствуют лучшим зарубежным аналогам по эксплуатационным параметрам, механической, радиационной и атмосферной стойкости превосходят лучшие зарубежные аналоги.
Перспективные области применения:
- в системах высокоточного позиционирования (включая и зарубежные образцы);
- в системах контроля и управления высокоточным оружием;
- в оптико-электронных разведывательных системах, обеспечивая распознавание цели на дальности до 100 километров и более с точностью до 10 сантиметров;
- в разрабатываемых квантовых спутниковых системах связи.
На базе многослойных специализированных пьезоактюаторов в АО «НИИ «Элпа» разработан впервые в России ряд пьезоэлектрических платформ наклонного и линейного типа – ПНП-10, ПНП-5, ПНП-2, ППЛП-100, ПНП-40, ПНП-60.
Пьезоэлектрические наклонные платформы позволяют осуществлять прецизионное перемещение с высокой скоростью в двух направлениях – вращение относительно осей X и Y и отклонение оптического луча. На наклонные платформы могут устанавливаться зеркала или сменная оптика с диаметром до 25 миллиметров любой ориентации.
Пьезоэлектрическая платформа линейного перемещения является компактным нанопозиционером, предназначенным для перемещения объектов с аппаратурой 20х20 миллиметров с массой до 1,5 килограмма на расстояния до 100 мкм вдоль осей X и Y с разрешением в нанометровом диапазоне с обратной связью.
Основные области применения линейных пьезоплатформ:
- позиционирование, юстировка положения зеркал, призм, линз в интерферометрических модулях с точностью до нанометров;
- управление лазерным лучом в пространстве, изменение конфигурации оптической системы в условиях вибрации и турбулентности с нанометрической точностью и быстродействием 1–10 мс;
- контроль и подстройка линий оптико-волоконной связи;
- управление адаптивными зеркалами;
- стабилизация изображения;
- автоматическая фокусировка и мультипликация элементов изображения;
- измерение параметров движения и траектории летательных аппаратов;
- фотометрическая регистрация и получение изображения;
- передача информации.
АО «НИИ «Элпа» ведет дальнейшие разработки в области многослойных актюаторов и изделий на их основе.
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 7 (920) за 22 февраля 2022 года
