Раздел 3. Микро- и нано-электромеханические преобразователи для интеллектуальных конструкционных наноматериалов: основные элементы и масштабные эффекты.

Раздел 3. Микро- и нано-электромеханические преобразователи для интеллектуальных конструкционных наноматериалов: основные элементы и масштабные эффекты.

3.1. Упругие механические элементы

3.1.1. Поведение упругих механических элементов при статических воздействиях

3.1.2. Динамическое поведение упругих механических элементов

3.2. Актюаторы (исполнительные элементы, силовые приводы, активаторы)

3.2.1. Емкостные актюаторы

3.2.2. Термомеханические (биметаллические, или биморфные) актюаторы

3.2.3. Другие типы актюаторов.

3.3. Сенсорные элементы (датчики, детекторы).

3.3.1. Емкостные детекторы

3.3.2. Пьезорезистивные детекторы

3.3.3.Оптические и оптоэлектронные сенсорные системы

3.3.4. Туннельные электронные детекторы

3.4.Чувствительность и разрешающая способность МЭМП и НЭМП, источники помех (шума).

В качестве сенсорных и исполнительных (актюаторных) подсистем в интеллектуальных конструкционных наноматериалах наиболее перспективны микро- и нано-электромеханические преобразователи (МЭМП и НЭМП соответственно), которые представляют собой чувствительные упругие механические элементы, реагирующие на внешнее воздействие или исполняющие команды от системы контроля и управления непосредственно, если они изготовлены из «умных» материалов, или через сопряженные с ними специальные сенсорные и исполнительные элементы (актюаторы и детекторы). Эти элементы связаны между собой через входной и выходной электрические контуры (электронные схемы), причем актюаторы преобразуют входной электрический сигнал (напряжение V или ток I) в механическое воздействие - силу F, перемещение z или скорость перемещения u упругого элемента, а детектор - механическое воздействие или перемещение упругого элемента в выходной электрический сигнал.

Сложность и многообразие физических процессов, протекающих при работе МЭМП и НЭМП и определяющих их чувствительность, разрешающую способность и надежность, резко выраженная зависимость свойств их элементов и протекающих в них процессов в реальных условиях эксплуатации от типа материалов и технологии их производства, затрудняют прогнозирование поведения таких элементов и достижение воспроизводимости их рабочих параметров. Переход от МЭМП к НЭМП не только открывает качественно новые возможности миниатюризации сенсорных и исполнительных систем в интеллектуальных конструкционных наноматериалах, повышения их эффективности и чувствительности, но и сопровождается возникновением новых научных и материаловедческо-технологических проблем, которые необходимо учитывать при проектировании, производстве и использовании таких материалов. Сенсорные и актюаторные элементы НЭМП отличаются чрезвычайно высокой восприимчивостью и чувствительностью к побочным взаимодействиям и помехам (шумам), которые возникают от различных внешних и внутренних источников вследствие более резкого проявления в наномасштабе по сравнению с микромасштабом различных физико-химических явлений и эффектов, в том числе квантовых. Данный раздел посвящен анализу физических принципов и теоретического описания работы основных элементов МЭМП и НЭМП, а также возможных физико-химических масштабных эффектов, проявляющихся в этих элементах при переходе от микро- к наномасштабу.