книги из ГПНТБ / Сядристый, Н. С. Тайны микротехники

ЭЛЕКТРОМОТОР-ПЫЛИНКА

В наше время серийное производство полупроводниковых микросхем стало реальностью. Метод напыления различных материалов в вакууме позволяет создавать на маленьких пло­ щадях сложные радиоэлектронные схемы, состоящие из боль­ шого количества элементов.

Методом напыления, как и методом вытравливания, можно также изготавливать и очень маленькие детали различного назначения при условии, что они имеют плоскостной характер. Так изготавливаются, например, микрошаблоны, применяемые при производстве тех же микросхем и оптических приборов.

Но изготовление микроскопических объемных деталей с ровными стенками по краям или с разными пазами, отверсти­ ями ит. д. в технике принципиально еще не решено. Много лет над этой проблемой работает ряд научно-исследовательских институтов, предприятий, фирм и у нас и за границей. Но достиг­ нутые успехи весьма скромны.

Поэтому когда в 50-х годах японец Мацуи Мисиема создал действующий электромоторчик величиной немного меньше наперстка, об этом писали почти все японские газеты.

• Предприимчивые американцы не оставили без внимания успех японского инженера. И вскоре космический корабль «Джемини-3» был оснащен его микромоторчиками. С той поры доля микротехнических изделий в проектах американских спут­ ников и космических кораблей начала стремительно возрас­ тать. Биение сердца, пульс, частота дыхания членов экипажа «Апоплон-9» регистрировались аппаратом, созданным Мацуи Мисиема. Размеры аппарата были очень изящны — 1 санти­ метр в диаметре, 3 сантиметра в длину. Вскоре в самой Японии Мацуи Мисиема избирается вице-президентом фирмы «Сан микро пресижн компани». Так микроминиатюра любительского характера превратилась в засекреченный промышленный биз­ нес, поставленный на широкую ногу.

Небезосновательным было удивление электротехников и специалистов, когда немецкий инженер Капенк «сжал» раз­

70

меры своего действующего электромоторчика постоянного тока до размеров горошины. Несмотря на карликовый размер, моторчик имел якорь с обмотками и коллектором, статор, щет­ ки, подшипники и т. д., как в настоящем моторе.

После этого один за другим микромоторчики еще меньших размеров начали появляться в Англии, Франции, СССР, США...

Это способствовало появлению многих уникальных микроми­ ниатюрных приборов самого различного назначения.

Авторами первых микроскопических действующих электро­ моторчиков в СССР были Михаил Григорьевич Маслюк, Але­ ксандр Матвеевич Сысолятин, Николай Иванович Доцковский, Микромоторчик Маслюка был меньше всех своих собратьев, ранее изготовленных у нас и за границей. Он имел объем 40 кубических миллиметров. За его изготовление автор был награ­ жден Большой серебряной медалью ВДНХ.

Но любознательность, пытливость, а также запросы тех­ ники требовали создания еще более мелких действующих моторчиков.

И вот в мире появляется очередной микромоторчик, по раз­ мерам еще меньший, чем предыдущие. Его габариты: 2,2x2,0x1,5 миллиметра. Якорь весил 0,0047 грамма и имел 50 витков проволоки, в 4 раза тоньше человеческого волоса. Мощ­ ность мотора — 0,00002 лошадиной силы. Как и обычные эле­ ктромоторы, он имел статор, якорь, щетки, обмотки, коллектор и т. д.

Интересна история создания этого электромотора. Ученые Лейденского университета разработали уникальный медицин­ ский зонд, напоминающий таблетку, прикрепленную к концу капроновой нити. Зонд предназначался для определения кислотности желудочного сока. Но для зонда нужен был микро­ моторчик. Ток предполагалось передавать по проводу внутри капроновой нити. Помочь ученым взялся голландский инженер из Антверпена Йозеф д-Эйнс. Как и все создатели микромотор­ чиков, он сам сделал необходимые электротехнические расче­ ты, изготовил детали. Но когда взялся за самые мелкие дета­ ли — подшипники, оказалось, что эта задача ему не под силу.

71

Голландец обратился за помощью к швейцарским часовщикам и через некоторое время получил рубиновые подшипнички. Мотор был создан, а вместе с ним и новый медицинский прибор.

Казалось, это граница, создание более мелких действу­ ющих моторчиков невозможно. Но эту границу опять-таки пре­ одолели трудолюбивые японцы. Несколько лет спустя на про­ мышленной выставке в Москве одна из японских фирм демон­ стрировала ручные часы миниатюрных размеров. Часы не нуждались в заводе, стрелки их вращались при помощи микро­ моторчика, получавшего энергию от радиоволн, излучаемых специальной установкой этой же фирмы. Микроприемник часов был настроен на частоту этих волн. Демонстрировался и другой микромоторчик размером в половину макового зернышка. Пресса называла его «двигателем на грани фантастики». Этот моторчик вместе с микробатарейкой вводился в кровеносную систему подопытных животных и был частью микроприбора медицинского назначения.

Прошел год, второй, третий...

Сообщения об изготовлении еще более миниатюрных дви­ гателей нигде не появлялись. «Дышать» на достигнутой япон­ цами высоте мастерам, очевидно, было тяжеловато.

Зная о размерах микромоторчиков, изготовленных у нас и за рубежом, я тоже взялся за создание микромоторчика. Кста­ ти, для выполнения этой задачи я уже имел определенные пред­ посылки. Еще в школе увлекался постройкой ветроэлектродвигателей. На мачте, возвышающейся над селом, много лет рабо­ тала моя ветроэлектростанция. Она все время совершенство­ валась. Начав с тихоходных многолопастных двигателей, посте­ пенно перешел к двухлопастным, диаметром 1—1,5 метра, кото­ рые даже при небольшом ветре вращали автомобильные гене­ раторы с теми же скоростями, на каких они работали в автома­ шинах. Огромные скорости развивали двухлопастные ветро­ двигатели диаметром 1 метр с постепенным уменьшением ширины лопастей и их углов наклона от центра винта к краям с таким расчетом, чтобы соотношение между самым большим и самым малым углом и между самой большой и самой малой

72

Микроэлектромотор постоянного тока в сравнении с маковым зерном. Увеличено в 700 раз

шириной лопасти в среднем равнялось 1:5. Максимальная ширина лопасти у основания равнялась 10—12 сантиметрам, а угол наклона — 10—12°. Построенные по такому принципу ветродвигатели при сильном ветре легко развивают скорость до 10 000 оборотов в минуту. Во время сильных ветров даже проваренные в олифе лопасти стирались о воздух и требовали своевременной подправки.

Изучал, переделывал, испытывал буквально все виды гене­ раторов, выпускаемых нашей промышленностью для автома­ шин, тракторов, комбайнов, мотоциклов. Наш дом был един­ ственным в то время в селе, где можно было увидеть электриче­ ский свет. Генераторы переменного тока, якоря которых пред­ ставляли многополюсные постоянные магниты, переделывал в генераторы постоянного тока при помощи сложных коллекто­ ров собственной конструкции. Ветроэлектродвигатели заря­ жали аккумуляторы, энергия которых использовалась потом для освещения, литаниярадиоприемников, моторов и т. д.

73

Поэтому, занявшись созданием микроэлектромоторчика, я лишь с более тонкими требованиями вновь возвращался к тому, что мне было известно раньше.

Сначала удалось изготовить действующий электромоторчик в 4 раза меньше макового зерна. Вы его видите на фото. Он имеет предельно простую и легко понятную для специалиста конструкцию. Моторчик работал от одноэлементной батарейки для карманного фонаря. Позже уменьшил размеры сначала до ‘/6, а потом до % кубического миллиметра. Эти агрегаты уже были намного меньше всех своих предшественников.

Через некоторое время я получил письмо с фотографией и описанием нового микродвигателя, который почти равнялся по величине моему последнему. Его автором был американский инженер Мак-Леллан. Почти одновременно такой же двигатель изготовил Маслюк —наш жмеринский «Левша».

Я уменьшил размеры моторчика еще в 2 раза. Теперь он был в 16—18 раз меньше макового зернышка. Некоторые детали его настолько малы, что не падали с перевернутого листа бумаги. Моторчик от начала до конца изготовлен вручную.

Впервые этот микромоторчик в числе других работ экспони­ ровался на Всемирной выставке «ЭКСПО-67» в Монреале. Сре­ ди технических новинок, представленных 62 странами—уча­ стницами выставки, моторчик оказался самым маленьким дей­ ствующим агрегатом. Лишь за три дня экспонирования он вы­ держал около 40 тысяч включений. Посетители, стоявшие в очереди к экспонатам-миниатюрам, многократно включали и выключали моторчик, передавая выключатель из рук в руки.

Как-то во время выставки ко мне подошли три американ­ ских инженера и довольно серьезно заявили, что моторчик, по их мнению, — бутафория. И что показываемый экспонат, рас­ сматриваемый под микроскопом, — это лишь статичная метал­ лическая точка, а сам моторчик, якобы наблюдаемый, спрятан в тубусе микроскопа, и что он намного больших размеров. Так как моторчик был закреплен в наглухо заклеенном плексигласо­ вом коробе, у меня не было способа доказать обратное. Тогда я взялся обеими руками за тубус микроскопа, вклеенный в

74

стенку короба, и стал шатать его в разные стороны, предложив при этом смотреть сомневающимся в окуляр. Работающий эле­ ктромотор «бегал» по полю, так как находился за пределами микроскопа. Окруженные разноязычной толпой инженеры вежливо извинились.

На выставках моих работ в Киеве и Харькове, Москве, Праге и Будапеште моторчик легко и безболезненно перенес еще более миллиона включений (зрители подсчитывались при помощи фотореле). До сих пор моторчик работает безотказно. Такая надежность его при микроразмерах объясняется отсут­ ствием вибраций и центробежных сил при столь ничтожных массах, практически почти равных летающим в воздухе пылин­ кам.

Для изделий подобных величин нужны материалы с отлич­ ными электротехническими свойствами. Детали не должны оки­ сляться на воздухе. Эти два требования являются главными при изготовлении микромоторчиков. Если, например, микроскопи­ ческое окисление для обычных двигателей особенной угрозы не представляет, то для микромоторчика оно губительно. Мы, например, не замечаем разницы в ежедневной работе даже такого маленького коллекторного двигателя, который применя­ ется, скажем, в электробритве «Харьков». А слой окиси, образующийся на коллекторе микродвигателя, наоборот, равен слою изоляционного лака. Поэтому микроколлектор должен изготавливаться из золота или платины.

Общим препятствием при изготовлении миниатюрных моторчиков является и то, что многие расчеты по известным формулам сделать практически невозможно, так как электро­ технические свойства материалов при микровеличинах стано­ вятся слишком относитерьными и непостоянными, зависящими от большого количества различных факторов, которые в «боль­ шой» электротехнике могут вообще не учитываться. Взять, к примеру, ось. Понятно, что в микромоторчике она должна быть очень тонкой. Но при толщине, равной нескольким микронам, все металлы делаются гибкими как леска. Значит, ось следует вытачивать из очень прочной стали. Но почти все твердые зака-

75

лиаающиеся стали быстро намагничиваются и плохо размагни­ чиваются. И если мы, например, решили изготовить самый про­ стой микромотор с двухполюсным якорем, то получится неже­ лательное, но вполне закономерное явление: во время работы якорь должен иметь разноименные полюсы, меняющиеся при каждом полуобороте. Но этому изменению будет препятство­ вать остаточный магнетизм стальной оси, которая будет играть роль постоянного магнита. Моторчик не будет работать, даже если соблюдены все прочие правила.

Или скажем о таком. При малых линейных размерах магнит­ ные поля прямых магнитов очень слабы из-за рассеивания и близкого нахождения полюсов друг возле друга, когда они частично как бы замыкаются между собой. Магнит необходимо каким-то образом усиливать, я, например, делал это с помощью специальных экранов, что, в свою очередь, влекло за собой необходимость решения других задач.

Теперь о чисто технической стороне дела. Как и чем изго­ тавливать детали для микромотора? Алмазными и твердосплав­ ными резцами, напильничками разных форм и размеров. Эти напильнички делались из надфилей, лезвий и лобзиковых пило­ чек. Как правило, на каждый паз или вырез детали изготавлива­ ется микронапильник соответствующей формы и размера. Ста­ чивая стальные надфеля на наждачных брусках разной зерни­ стости, можно получать своего рода микронапильники. При этом надо стараться, чтобы плоскости этих напильников были без выпуклостей, а углы не имели микрозаусениц. Время от времени такие напильники «освежаются» повторной переточ­ кой.

Катушки статора и якорь наматывались вручную. Самая большая трудность в этой операции — при намотке чувство­ вать натянутость проволоки. Ведь она не прочнее паутинки. Сначала проволока наматывалась на пустотелые деревянные палочки диаметром около 2 миллиметров, а с них — на детали.

После намотки палочки отрезались. Проволоку необ­ ходимо перерезать, подняв палочку вверх. Если этого не сде­ лать, проволочку можно оборвать раньше, нежели она будет

76

перерезана. Вообще от подобных «мелочей» зависит успех во всякой тонкой работе.

В моторчиках постоянного тока самым сложным является изготовление коллектора. Его части должны быть изолированы от оси и якоря, а также между собой. В то же время надо обес­ печить надежное соединение концов обмоток якоря с коллек­ торными полукольцами. Чтобы представить себе трудность й кропотливость этой работы, напомню, что некоторые собран­ ные коллекторы по диаметру имели 180 микрон, а по толщине равнялись газетному листу.

Каждый раз такие коллекторы изготавливались по-разному. Самый простой способ заключался в следующем. Золотая или платиновая проволока вставлялась в иголку с продольно высверленным отверстием. Свободный конец проволоки лишь незначительно возвышался над торцом иглы. Так удобнее выполнять все последующие операции. Проволока стачивалась по торцу на микронапильнике, изготовленном из лобзиковой пилочки, а потом в торце высверливались отверстия для оси и для выводов якорной обмотки. После этого тонкой пилочкой (ее можно изготовить из утонченного до нескольких микрон лезвия) торец разрезался на части. Когда все эти операции проведены, коллектор укрепляется перед окончательной отрезкой, то есть его детали опять соединяются воедино, но так, чтобы все они были изолированы друг от друга. Для этого применялся эпо­ ксидный лак, затвердевающий при температуре 300°. Лак после затвердения вновь высверливается из тех отверстий, в кото­ рые будут вставляться выводы обмотки. Лишь после этого кол­ лектор можно отрезать от проволочки микропилочкой. Лучше если предварительный паз для этого будет сделан до склеива­ ния деталей, ибо склеенный коллектор легко разрушить. Зуб­ чики микроскопической пилочки время от времени обновляются на микроабразивном оселке.

Оголенные концы якорных обмоток заводились в отверстия коллектора, а потом «расклепывались» микроиглой с «тупым» концом, диаметр которого равнялся 0,01 миллиметра. Чтобы коллектор при этом не рассыпался, он до упора насаживался на

77

Самый маленький в мире синхронный электромотор по сравнению с маленьким лесным рыжим муравьем.

Увеличено в 100 раз

ось и в отдельных местах приклеивался к обмотке эпоксидным лаком.

Выводы якорной обмотки обязательно должны быть разной длины. Это дает возможность сначала вставить в коллектор одну проволоку, потом — другую и т. д. Когда последний (самый короткий) конец обмотки вставлен в коллекторное отверстие, все выводы обрезаются острым ножеподобным рез­ цом и расклепываются. На этом и заканчивается изготовление микроскопического якоря.

Для того чтобы намотать обмотку на корпус якоря и произ­ вести другие операции, необходимо как-то решить задачу кре­ пления якоря. Ведь брать его пинцетом так же рискованно, как большим пневматическим прессом закрывать ручные часы.

78

Поэтому лучше всего якорь не отрезать от заготовки до тех пор, пока он не, будет полностью изготовлен. Местом последнего отреза лучше всего выбрать один из полюсов якоря.

В последнее время мне удалось создать еще более миниа­ тюрный электромотор, ПО объему не превышающий Узоо куби­ ческого миллиметра. На фото он показан в сравнении с ма­ леньким рыжим муравьем. Моторчик свободно размещается на торце волоска.

В МАКОВОМ ЗЕРНЕ

Весной 1965 года в прессе появилась статья о балалайке длиной 1,9 миллиметра, которую сделал Михаил Григорьевич Маслюк. Толщина ее стенок —0,06 миллиметра, то есть равна толщине человеческого волоса. Вместо струн мастер использо­ вал паутину, а подставку изготовил из утонченного волоска.

Рассмотреть такую балалайку можно только сквозь систему линз. Корпус балалайки равен маковому зерну. Инструмент собран из 15 деталей. В статье приводились слова мастера: «Я был бы очень рад, если бы кто-нибудь захотел посоревно­ ваться со мной».

Вызов хоть и выглядел самонадеянно, но был небезоснова­ тельным. Если микроминиатюру нелегко изготовить из металла или пластмассы, то сделать ее из дерева еще труднее. Ибо крепость дерева при таких размерах — как крепость снежинки. Мало того, ведь изделие состоит из 15 деталей, которые подо­ гнаны друг к другу по размерам.

Однажды я был в командировке. День выдался неудачный и чрезвычайно утомительный. Поздно вечером, придя в гостини­ цу, машинально включил радио. «Полька» Рахманинова, испол­ няемая на балалайке, мелодичная и чистая, заполнила комнату. Мне нравилось это прозрачное и оптимистическое произведе­ ние. Его мастерски исполнял на домбре в нашей студенческой комнате харьковчанин Михаил Васильев, в свое время получив-

79