Применение мэмс датчиков давления. Технология MEMS. Технологии производства мэмс

«Аполло́н-16» (англ. Apollo 16 ), десятый пилотируемый космический корабль в рамках программы , пятая высадка людей на Луну. Первая посадка в горной местности, на плоскогорье неподалёку от кратера Декарт. Это была вторая, после Джей-миссия (англ. J-mission ) с акцентом на научные исследования. Командир экипажа Джон Янг и пилот лунного модуля Чарльз Дьюк провели на Луне почти трое суток - 71 час. Они совершили три поездки на «Лунном Ровере-2», общей протяжённостью 26,7 километра. Три выхода на поверхность Луны продолжались в общей сложности 20 часов 14 минут. Было собрано и доставлено на Землю 95,8 килограмма образцов лунной породы. В ходе этой экспедиции был установлен рекорд скорости передвижения по Луне на Лунном автомобиле - 18 км/ч.

Состав экипажей был официально объявлен 3 марта 1971 года, сразу после окончания трёхнедельного карантина для возвратившихся на Землю 9 февраля астронавтов «Аполлона-14», и более, чем за год до намеченного старта «Аполлона-16».

Основной

Джон Янг - командир

Томас Маттингли - пилот командного модуля

Чарльз Дьюк - пилот лунного модуля

На момент полёта командир «Аполлона-16» Джон Янг был самым опытным в отряде астронавтов США. Для него это был четвёртый космический полёт и второй полёт к Луне. Первый раз он летал в космос в 1965 году в качестве пилота космического корабля «Джемини-3». Второй раз в 1966 - командиром «Джемини-10». Свой первый полёт к Луне он совершил в мае 1969 года в качестве пилота командного модуля «Аполлона-10». В 1970 Янг был дублёром Джеймса Ловелла, командира .

Для Томаса (Кена) Маттингли это был первый полёт в космос. Он готовился к полёту «Аполлона-13» в качестве пилота командного модуля основного экипажа, но за три дня до старта был заменён дублёром из-за опасений, что заболеет краснухой, которую ему мог передать Чарльз Дьюк. Последний готовился к полёту «Аполлона-13», как дублёр пилота лунного модуля. Астронавты «Аполлона-13» из-за аварии не смогли совершить посадку на Луну, а Маттингли не заболел краснухой.

Для Чарльза Дьюка полёт тоже был первым. 20 июля 1969 года он был оператором связи (англ. CapCom - Capsule Communicator ) во время исторической высадки на Луну экипажа «Аполлона-11» Нила Армстронга и Эдвина Олдрина.

Дублирующий

Фред Хейз - командир

Стюарт Руса - пилот командного модуля

Эдгар Митчелл - пилот лунного модуля

Все члены дублирующего экипажа имели опыт полёта к Луне. Фред Хейз летал в качестве пилота лунного модуля «Аполлона-13». Стюарт Руса был пилотом командного модуля «Аполлона-14». Эдгар Митчелл летал вместе с ним, как пилот лунного модуля, и вошел в историю, как шестой человек, ступивший на Луну.

Команда поддержки

Филипп Чэпмен

Энтони Ингленд

Генри Хартсфилд, Мл.

Роберт Овермайер

Члены команды поддержки не проходили предполётной подготовки и, соответственно, не были кандидатами, которые могли бы претендовать на место в составе экипажа. Но они имели полномочия представлять основной и дублирующий экипажи на различных совещаниях, если последние были заняты в это время на тренировках. Во время полётов они, как правило, выполняли очень важные функции операторов связи (англ. CapCom - Capsule Communicator ).

Позывные кораблей

Командный модуль - «Каспер»- назван в честь героя популярного мультфильма. Этот вариант предложил Кен Маттингли, потому что на телекартинке астронавты на Луне были очень похожи на привидений.

Лунный модуль - «Орион», по названию созвездия. В древнегреческой мифологии - легендарный охотник. Лунный модуль «Аполлона-16» впервые доставил на Луну ультрафиолетовый телескоп, который, как охотник, сделал первые астрономические фотографии с поверхности Луны.

В процессе подготовки космического корабля к старту несколько раз возникала необходимость замены отдельных систем и узлов. В середине ноября 1971-го было решено заменить все три основных парашюта командного модуля из-за того, что в августе при посадке «Аполлона-15» один из них не раскрылся, и корабль садился на двух парашютах. 13 декабря1971 года связка ракета-носитель Сатурн V - «Аполлон-16» была перевезена из здания вертикальной сборки на стартовую площадку 39-А. Однако последующие испытания привели к разрушению одной из тефлоновых камер самовоспламеняющегося топлива для двигателей системы ориентации командного модуля. Поскольку в ходе испытаний использовался гелий, а не реальное топливо, ущерб был не очень велик. Но топливную камеру нужно было заменить, а для этого требовалось снять теплозащиту командного модуля. В это же время, в ходе испытаний, связанных с будущей орбитальной станцией «Скайлэб», были выявлены существенные дефекты, из-за которых не работали пирошнуры. Точно такой же пирошнур был установлен на «Аполлоне-16» для разделения лунного и командно-служебного модулей перед возвращением на Землю. Его также необходимо было заменить. В результате, впервые за всё время осуществления программы «Аполлон» было принято решение возвратить ракету-носитель со стартовой площадки в здание вертикальной сборки, а запуск, запланированный на 17 марта 1972 года, отложить. Обратная транспортировка состоялась 27 января 1972-го. Командно-служебный модуль был демонтирован и после всех замен снова водружён на своё место на вершине ракеты. 9 февраля «Аполлон-16» был окончательно установлен на стартовом столе. Следующее после 17 марта «окно» для запуска открывалось 16 апреля, далее - 14 мая.

В день запуска «Аполлона-16», 16 апреля 1972 года, первым в кабину корабля поднялся пилот командного модуля из дублирующего экипажа Стюарт Руса. В его обязанности входила проверка и, при необходимости, установка в нужное положение всех до единого переключателей на главной панели управления. В шпаргалке-инструкции всё, что ему необходимо было проделать, было расписано по 454 пунктам.

Примерно за три часа до старта свои места заняли члены основного экипажа. Командир Джон Янг - в левом кресле, пилот командного модуля Кен Маттингли - в центре, пилот лунного модуля Чарльз Дьюк - справа. Старт «Аполлона-16» с космодрома на мысе Канаверал в штате Флорида состоялся 16 апреля 1972 года в 17:54:00 UTC. Через 12 минут корабль вышел на расчётную околоземную орбиту. Далее в течение почти двух витков астронавты проверяли основные системы. На ночной стороне планеты они наблюдали грозы и лесные пожары в Африке.

Через 2 часа 33 минуты после старта был включён двигатель третьей ступени. Он отработал почти 6 минут, 341,9 секунды. «Аполлон-16» перешёл на траекторию полёта к Луне. Скорость корабля в этот момент составила 36 360 км/час. Ещё через 25 минут астронавты начали перестроение отсеков - манёвр, когда командно-служебный модуль отходит от третьей ступени, в верхней части которой находится лунный модуль, разворачивается в автоматическом режиме на 180°, стыкуется с лунным модулем и затем вытаскивает его из третьей ступени. По завершении разворота командно-служебный модуль находился примерно в 15 метрах от лунного модуля. Неожиданно для себя астронавты увидели вокруг третьей ступени и лунного модуля довольно плотное облако мельчайшего мусора. Для сближения на 4 секунды были включены двигатели системы ориентации служебного модуля. Но этого оказалось недостаточно. Потребовались ещё два очень коротких дополнительных включения, менее одной секунды каждое. Во время отхода от третьей ступени и разворота астронавтам не было слышно работы двигателей системы ориентации служебного модуля. Однако, когда расстояние между модулями сократилось до трёх метров, звук реактивных струй, ударяющих по обшивке лунного модуля, стал отчётливым. Астронавты увидели в иллюминатор летящие крупные хлопья и поток частиц коричневого цвета. Это разрушалась краска на кремнийорганической основе, которая была дополнительным средством теплоизоляции лунного модуля на случай, если корабль был бы запущен на сутки позже, и, соответственно, Солнце стояло бы на Луне выше над горизонтом. После стыковки на обшивке верхней части взлётной ступени лунного модуля были видны следы облетевшей краски. Кусочки и мелкие частицы краски окружали корабль вплоть до момента расстыковки на лунной орбите. Примерно через час после того, как экипаж доложил в Центр управления полетами в Хьюстоне о проблеме с частицами мусора, он получил инструкцию перейти в Лунный Модуль для его первого осмотра. Джон Янг и Чарльз Дьюк открыли переходной туннель и перешли в «Орион». Все системы корабля работали нормально. Никаких утечек в системах основного двигателя или двигателей системы ориентации не было. Через несколько минут астронавты вернулись в командный модуль. Второй осмотр лунного модуля был проведён на вторые сутки полёта. В ходе него предусматривались уборка корабля и проверка систем связи. Внутри лунного модуля было чисто, если не считать пары маленьких винтиков, которые проплыли мимо Янга и Дьюка и были ими немедленно собраны.

В самом начале третьих суток полёта Янг, Маттингли и Дьюк провели первый из двух запланированных экспериментов по наблюдению визуальных вспышек (фосфенов). Он продолжался 66 минут. (Такой же эксперимент в предыдущем полёте проводил экипаж «Аполлона-15»). Во время эксперимента Чарльз Дьюк надевал специальный шлем с нанесённой на стекло в районе глаз специальной чувствительной эмульсией для прямого измерения космических лучей, вызывающих визуальные вспышки. У Джона Янга глаза были закрыты повязкой, Кен Маттингли фиксировал результаты. Изначально предполагалось, что именно он будет в шлеме в течение всего эксперимента, но, по непонятной причине, он не видел ни одной вспышки. Маттингли стал единственным астронавтом после «Аполлона-11», который не наблюдал вспышек. Всего за 66 минут Янг и Дьюк отметили 70 вспышек. Командир наблюдал в среднем одну каждые 3,6 минуты, а пилот Лунного Модуля - одну каждые 1,3 минуты.

Параметры миссии

Масса:

• Стартовая масса: 2 921 005 кг

  Общая масса космического корабля: 46 782 кг

  • Масса командно-служебного модуля: 30 354 кг, из них КМ - 5840 кг, СМ - 24 514 кг

    Масса лунного модуля: (перед посадкой) - 16 666 кг, масса взлетной ступени при взлете с Луны - 4966 кг

Витков вокруг Земли: около двух до старта к Луне, около одного при возвращении

Перигей: 166,7 км

Апогей: 176,0 км

Наклонение: 32,542°

Период обращения: 87,85 мин

Витков вокруг Луны: 64

Периселений: 107,6 км

Апоселений: 315,4 км

Наклонение: 168°

Период обращения: 120 мин

Координаты места посадки: 8.97301° S - 15,50019° E или 8° 58" 22.84" S - 15° 30" 0.68" E

Стыковка - расстыковка командно-служебного и лунного модулей

ВКД (внекорабельная деятельность)

Янг и Дьюк - первая ВКД

Продолжительность: 7 часов 11 минут 02 секунды

Янг и Дьюк - вторая ВКД

Продолжительность: 7 часов 23 минуты 09 секунд

Янг и Дьюк - третья ВКД

Продолжительность: 5 часов 40 минут 03 секунды

Маттингли (Дьюк - в открытом люке КМ) - ВКД на пути к Земле

Продолжительность: 1 час 23 минуты 42 секунды

Что такое МЭМС?Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это
системы, включающие в себя взаимосвязанные
механические и электрические компоненты микронных
размеров.
Трехосевой
акселерометр
Электрический
микродвигатель

Что такое МЭМС?

МЭМС =
Электроника + Микромеханика

История создания

1958 г. - первые прототипы интегральных схем (ИС);
1960 г. - мелкосерийный выпуск ИС;
1974 г. - промышленный выпуск тензодатчиков на
основе кремния (National Semiconductors);
1982 г. - термин микрообработка (micromachining)
используется для описания процессов изготовления
механических подсистем (диафрагм и микробалок);
1986 г. - в одном из отчетов министерства обороны
США был впервые использован термин
“микроэлектромеханические системы” (МЭМС);

Способы изготовления

Изготовление МЭМС
Объемная
микрообработка
(bulk micromachining)
Поверхностная
микрообработка
(surface micromachining)
Субтрактиный подход – от
целого отсекаем лишнее
(как изготовление статуи)
Аддитивный подход –
строим целое из
кирпичиков
(как строительство дома)

Объемная микрообработка

Это процесс, идущий от поверхности материалаосновы вглубь, при которой травлением
последовательно удаляются ненужные участки этого
материала, в результате чего остаются механические
структуры необходимой формы.
Микрозахват (microgripper)
Микрокантилеверы

Объемная микрообработка

Si
Отжиг
XeF2
SiO2
Si
SiO2
Si
Литография
Фоторезист
SiO2
Si
RIE
SiO2
Si

Поверхностная микрообработка

Это процесс, заключающийся последовательных
циклах нанесение тонких слоев материала, которые
затем с помощью литографии и последующего
травления приобретает необходимую геометрическую
форму
Система зубчатой
передачи
Элемент
тепловизионной
матрицы

Поверхностная микрообработка

Обобщенная схема изготовления МЭМС

Применение МЭМС

Датчики:
Акселерометры;
Гироскопы;
Магнетометры;
Датчики давления
расходометры
Исполнительные
механизмы (актуаторы):
Микродвигатели;
Микрозахваты;
Микрозеркала;
Области применения:
1. МЭМС-компоненты для высокочастотной электроники (RF MEMS);
2. Датчики на основе сил инерции;
3. Акустические и ультразвуковые МЭМС, датчики давления;
4. Оптические МЭМС;
5. Биомедицинские МЭМС;
6. Микроманипуляторы.

Высокочастотные МЭМС ключи

F2
F1
Земля
h0
Земля
Земля
Сигнал
S
V
V
Вид сверху
Вид сбоку
V’ = 0
Земля

Высокочастотные МЭМС ключи

Vкр= 30-50В

Датчик давления на основе МЭМС

P1
P2
F2
h
F1
Датчики давления
пьезорезистивного типа
Датчики давления
емкостного типа

Акселерометры и гироскопы

F1
F2

Акселерометры и гироскопы

Оптические МЭМС

Элементы МОЭМС: зеркала,
призмы, линзы
Электростатически
управляемое микрозеркало

Оптические МЭМС: DLP

DLP (Digital Light Processing) - технология, используемая во
многих проекторах
Устройство отклоняющих
зеркал
Красной стрелкой показан путь луча
света от лампы к матрице, через
диск светофильтров, зеркало и
линзу. Далее луч отражается либо в
объектив (жёлтая стрелка), либо на
радиатор (синяя стрелка).

Оптические МЭМС: микроболометры

Инфракрасное излучение пройдя сквозь систему линз попадает на
поглощающий элемент, нагревая его. Рядом с этим элементов находится
терморезистивная пленка, меняющее свое сопротивление от нагрева. Так
как температурные коэффициент изменения сопротивления при комнатной
температуре невелик (порядка 2% на градус для диоксида ванадия)

В исполнительных механизмах на основе МЭМС технологий обычно
задействуются следующие компоненты:
1. Элементы на основе обратного пьезолектрического эффекта – можно
получать большие величины силы, но величина смещения мала. Требует
высоких электрических напряжений;
2. Биморфные элементы на основе двух материалов с разным
температурным коэффициентом расширения. Можно получать большие
величины силы и смещения, процесс происходят медленно и им сложно
управлять;
3. Электростатические элементы, работающие за счет
электростатического притяжения и отталкивания между обкладками
конденсатора. Небольшие величины силы и смещения, легко изготовить,
требуются большие значения электрического напряжения;
4. Элементы на основе магнитных катушек. Слабые величины силы,
сложно изготовить;

Исполнительные механизмы МЭМС

Пьезакерамический элемент сканера
атомно-силового микроскопа
Биморфный (Si - Al)
элемент. Стрелкой
показано направление
изгиба при его нагреве

Исполнительные механизмы МЭМС

Электростатические актуатор
линейного движения
Электростатические актуатор
углового движения

Список литературы

1. “ВЧ МЭМС и их применение” Варадан В., Виной К., Джозе К.,
Техносфера, 2004.
2. “Электромеханические микроустройства”, Н. Мухуров,Г. Ефремов,
Litres, 2014.
3. MEMS and MOEMS Technology and Applications, P. Rai-Choudhury, SPIE
Press, 2000.
4. MEMS: Introduction and Fundamentals, M. Gad-el-Hak, CRC Press, 2005.
5. An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, N. Maluf,