3.2.3. Другие типы актюаторов.

Актюаторы с использованием электро- и магнито-механических эффектов и соответствующих электро- и магнито-активных материалов широко используются в структурах, имеющих макро- или микроразмеры (масштаб, или шкалу), в том числе в электромеханических преобразователях для интеллектуальных конструкционных материалов или непосредственно в качестве их компонентов. В структурах с наномасштабом возможности и эффективность использования таких материалов исследована слабо. В случае пьезоэлектрических, электро- и магнитострикционных материалов и эффектов основные проблемы при переходе от макро- и микро- к нано-масштабу обусловлены тем, что размеры дипольных электрических и магнитных доменов лежат в микромасштабе, и соответствующие эффекты могут уменьшаться при размерах структурных элементов, меньших размера доменов. Различные проблемы возникают при переходе от макро- и микро- к нано-масштабу и в случае использования электро- и магнито-активных жидкостей, гелей и композитов, а также электро-активных жидкокристаллических систем.

3.3. Сенсорные элементы (датчики, детекторы).

Применительно к интеллектуальным конструкционным наноматериалам к сенсорным элементам, датчикам, или детекторам в широком смысле относятся любые источники данных, а в узком – материальные структуры, характеризующие внешние условия или внутренние параметры любых систем, и преобразующие их изменения в некоторый количественный электрический, реже тепловой или химический, сигнал, величина которого пропорциональна изменению измеряемого параметра. Преобразование механических смещений или колебаний компонента материала или упругого элемента МЭМП или НЭМП, задаваемых актюатором или непосредственно изменением или воздействием внешней среды, в выходной электрический сигнал, может осуществляться в сенсорных элементах с помощью тех же, но обратных эффектов, используемых в актюаторах. Однако, как и в случае актюаторов, при использовании пьезоэлектрических, электро- и магнитострикционных материалов сенсорные элементы (детекторы) в значительной степени теряют свою эффективность при переходе от макро- и микро- к наномасштабу, или их использование наносистемах встречает значительные технические и технологические трудности. Имеются сведения об эффективном использовании в наносистемах только емкостных и пьезорезистивных детекторов, а также более перспективных методов прямого преобразования смещения в электрический сигнал с помощью фотодетекторов, встроенных в интегрированные опто-электро-механические системы, и особенно детекторов, использующих эффект туннелирования электронов (туннельных сенсорных элементов). В данном разделе рассматриваются именно такие детекторы.

3.3.1. Емкостные детекторы

В емкостных детекторах механическое смещение при подаваемом на электроды (смещающем) напряжении, преобразуется в изменение емкости конденсатора, или количества зарядов, что, соответственно, генерирует электрический ток в замкнутой цепи. Так как электрический ток характеризует скорость переноса зарядов ( ), то его изменение при изменении расстояния между электродами на величину Δz при смещающем напряжении V=V₀sin(ωt) может быть примерно определена по соотношению: . Более точно генерируемый ток на выходе из системы, модель которой изображена на рис.26, а поведение описывается уравнением Мэтью (см. раздел 3.2.1) при аппроксимации к дифференциальному уравнению первого порядка, описывается соотношением: , где ; ; .

При использовании емкостных детекторов паразитная емкость в решающей степени определяет чувствительность таких детекторов. В микромасштабе в динамических условиях изменения емкости вследствие смещения механического элемента обычно варьируется в пределах 10^-9-10^-12 Ф и достаточно легко детектируется при сравнительно низких частотах колебаний, используемых в микросистемах. При переходе на наномасштаб типичные модуляции емкости осуществляются в пределах 10^-16-10^-18Ф. При этом паразитная емкость чипа и встроенных схем может быть на несколько десятичных порядков больше. Помимо ликвидации эффекта от большого паразитного импеданса встроенных схем решение этой проблемы ищут во встраивании усилителя сигнала непосредственно в нанорезонатор. При использовании одноэлектронного транзистора достигнута чувствительность к смещению порядка 4 фм/Гц ^-1/2.