ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2025 года по МПК H01H61/00 

Изобретение относится к устройствам микросистемной техники и может быть использовано в микрофлюидных системах, таких как лаборатории на чипе, а также в микродвигателях и микроробототехнических системах.

Последние десятилетия характеризуются интенсивным развитием микросистемной техники. Ключевым элементом микросистем является актюатор, или привод, преобразующий электрическую энергию в механическое перемещение. На основе актюаторов строятся различные устройства, например, оптические переключатели, используемые в оптоволоконных сетях связи и измерительном оборудовании. Однако существует ряд перспективных изделий, которым пока не удалось найти широкое применение. Таким устройством является лаборатория на чипе или модуль адресной доставки лекарств в организм человека. Причиной их отсутствия на рынке являются недостаточно высокие рабочие характеристики актюаторов, поэтому актуальным направлением развития микросистемной техники является их совершенствование.

Среди актюаторов различных типов одним из наиболее распространенных является электрохимический актюатор. В его состав входит микромеханическая часть и управляющее устройство. Микромеханическая часть представляет собой рабочую камеру с двумя электродами на диэлектрической подложке. Камера закрыта эластичной мембраной и заполнена электролитом. Управляющее устройство представляет собой генератор напряжения, спроектированный специально для данной микромеханической части. Оно подает напряжение на один из электродов, в то время как второй электрод заземлен. Подача напряжения запускает электролиз, в ходе которого в камере выделяется газ. В качестве электролита используют водные растворы. В этом случае на положительном электроде (аноде) выделяется кислород, а на отрицательном электроде (катоде) - водород. Газы образуют пузыри, которые занимают существенно больший объем по сравнению с жидкостью, затраченной на их производство. Давление в камере увеличивается, и мембрана перемещается относительно исходного положения. В зависимости от сферы применения, она может выполнять различные функции, например, приводить в движение другие микроструктуры или толкать перекачиваемую жидкость.

Известен электрохимический актюатор, включающий микромеханическую часть в виде рабочей камеры с двумя электродами, заполненной электролитом и закрытой мембраной, и управляющее устройство, обеспечивающее подачу импульсов напряжения положительной полярности на один из электродов, в то время как второй электрод заземлен (заявка на патент US 2016/0089490 А1 от 31.03.2016). В камере находится сетка, покрытая платиной. Платиновое покрытие служит катализатором для обратной реакции между произведенными газами. Наличие сетки обеспечивает полное удаление газов и возвращение мембраны в исходное положение.

Недостатком данного изобретения является наличие в технологии изготовления этапов формирования сетки и ее монтажа внутри рабочей камеры. Эти операции несовместимы с технологией микроэлектроники и выполняются вручную. Как следствие, усложняется процесс изготовления, возрастает время изготовления и стоимость единичного изделия. Кроме того, время рекомбинации газов составляет несколько минут, что является весьма длительным временем в масштабе микросистем. Медленное возвращение мембраны в исходное положение не позволяет актюатору работать с высокой частотой, необходимой для функционирования насосов, клапанов и других микромеханических устройств.

Наиболее близким к заявленному изобретению является электрохимический актюатор, включающий микромеханическую часть в виде рабочей камеры с двумя электродами, заполненной электролитом и закрытой мембраной, и управляющее устройство, содержащее микроконтроллер, цифро-аналоговый преобразователь, предусилитель, усилитель мощности, токовый трансформатор, преобразователь тока в напряжение, выпрямитель, интегратор и аналого-цифровой преобразователь (Uvarov I.V., Melenev А.Е., Svetovoy V.B. Micromachines, 2022, Vol. 13, 283). В данном техническом решении время возвращения мембраны в исходное положение составляет несколько десятков миллисекунд. Увеличение быстродействия достигается благодаря быстрой рекомбинации газов, обусловленной следующими особенностями технического решения. Управляющее устройство подает серию импульсов напряжения переменной полярности на один из электродов, в то время как второй электрод заземлен. Каждый электрод поочередно служит катодом и анодом и производит газы обоих типов. Пузыри водорода и кислорода перемешаны, что способствует диффузионному обмену между ними. Длительность каждого импульса составляет порядка 1 мкс. За это время пузыри успевают вырастать лишь до размера в несколько десятков нанометров. В нанопузырях благодаря сверхвысокому отношению площади поверхности к объему спонтанно зажигается реакция горения, способствующая быстрому превращению газов в электролит.

Недостатком данного технического решения является малое перемещение мембраны относительно исходного положения. Диапазон перемещения, равный отношению максимального перемещения к диаметру мембраны, составляет не более 2,5%. Указанный недостаток обусловлен невозможностью актюатора работать во взрывном режиме, обеспечивающем большой диапазон перемещения. Управляющее устройство не имеет компонентов, позволяющих прерывать серию импульсов напряжения по наступлению взрыва микропузыря в рабочей камере, поэтому в случае многократного срабатывания в камере накапливается газ, нарушающий функционирование актюатора. Другими недостатками являются спад производительности и рост энергопотребления актюатора в ходе эксплуатации, обусловленные увеличением электрического сопротивления электродов. Сопротивление увеличивается вследствие окисления титанового покрытия электродов в ходе электролиза.

Задачей заявленного изобретения является улучшение рабочих характеристик электрохимического актюатора, а именно увеличение диапазона перемещения с сохранением высокого быстродействия.

Поставленная задача решается следующим образом. В известное техническое решение, принятое за прототип и включающее в себя микромеханическую часть в виде рабочей камеры с двумя электродами, заполненной электролитом и закрытой мембраной, и управляющее устройство, содержащее микроконтроллер, цифро-аналоговый преобразователь, предусилитель, усилитель мощности, токовый трансформатор, преобразователь тока в напряжение, выпрямитель и интегратор, включены новые существенные признаки: электроды выполнены из металла платиновой группы или имеют покрытие из металла платиновой группы, а управляющее устройство дополнительно содержит интегратор, делитель напряжения и компаратор, при этом выходной сигнал выпрямителя подается на два параллельно включенных интегратора, выходные сигналы интеграторов подаются на компаратор, причем первый интегратор соединен с положительным входом компаратора напрямую и имеет меньшее время интегрирования, чем второй интегратор, а второй интегратор соединен с отрицательным входом компаратора через делитель напряжения, а выходной сигнал компаратора подается на микроконтроллер.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение электрохимического актюатора.

На фиг. 2 представлена структурная схема управляющего устройства.

На фиг. 3 представлен управляющий сигнал.

На фиг. 4 схематично иллюстрируется перемещение мембраны актюатора под действием взрыва в рабочей камере.

На фиг. 5 представлено схематичное изображение микромеханической части с указанием материалов, из которых она изготовлена.

На фиг. 6а-6б представлены осциллограммы тока, протекающего через электроды в ходе серии импульсов.

На фиг. 7а-7б представлены фотографии рабочей камеры.

На фиг. 8 представлена фотография мембраны сбоку в момент взрыва.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием.

Электрохимический актюатор включает в себя микромеханическую часть и управляющее устройство. Микромеханическая часть схематично изображена на фиг. 1. Она содержит подложку 1, на которой сформированы боковые стенки 2 рабочей камеры 3. Камера закрыта мембраной 4 и заполнена электролитом. Внутри камеры находятся электроды 5. Управляющее устройство 6 подает управляющий сигнал на один из электродов, в то время как второй электрод заземлен. В отличие от прототипа, электроды изготавливаются из металла платиновой группы. Металлы платиновой группы устойчивы к окислению в электрохимическом процессе или имеют оксиды, обладающие высокой электропроводностью. Эти свойства позволяют избежать спада производительности и роста энергопотребления актюатора в ходе эксплуатации.

В качестве материала электродов предпочтительно использовать металлы платиновой группы, обладающие высокой твердостью и низкой токсичностью оксидов. К ним относятся рутений, родий и иридий. Высокая твердость делает электроды устойчивыми к разрушению в результате сильного механического воздействия нанопузырей, а низкая токсичность обеспечивает биологическую совместимость актюатора.

Обеспечение низкого сопротивления электродов зачастую требует нанесения слоев металла толщиной в несколько сотен нанометров и более. Использование столь толстых слоев металлов платиновой группы существенно увеличивает стоимость актюатора. С целью сокращения стоимости в качестве основного материала электродов можно использовать относительно недорогие металлы с высокой электропроводностью, такие как алюминий и медь, и покрывать их тонким слоем металла платиновой группы для защиты электродов от деградации.

В качестве материала мембраны желательно использовать эластичные материалы. К ним относятся силиконовые эластомеры, такие как полидиметилсилоксан, способные выдерживать большое растяжение. В случае использования менее эластичных материалов возможен разрыв мембраны под действием взрыва в рабочей камере.

Структурная схема управляющего устройства изображена на фиг. 2. Ключевым узлом устройства является микроконтроллер, который формирует однополярные импульсы напряжения и подает их на предусилитель через цифро-аналоговый преобразователь. Предусилитель сдвигает постоянную составляющую сигнала, преобразуя однополярные импульсы в импульсы переменной полярности. Эти импульсы поступают на усилитель мощности, увеличивающий их амплитуду. Усиленный сигнал подается на один из электродов актюатора. Ток, протекающий через электроды, поступает на токовый трансформатор и индуцирует ток в его вторичной обмотке. Индуцированный ток подается на преобразователь тока в напряжение. Напряжение, повторяющее форму тока, поступает на выпрямитель, преобразующий отрицательные значения в положительные.

В отличие от прототипа, содержащего один интегратор, выпрямленное напряжение подается на два параллельно включенных интегратора. Первый интегратор имеет меньшее время интегрирования, чем второй интегратор. Выходные сигналы интеграторов поступают на компаратор. Сигнал первого интегратора подается на положительный вход компаратора напрямую, а сигнал второго интегратора проходит на отрицательный вход компаратора через делитель напряжения, уменьшающий величину сигнала. Выходной сигнал компаратора поступает на микроконтроллер.

Сигнал, подаваемый управляющим устройством на один из электродов микромеханической части, показан на фиг. 3. Он представляет собой серию импульсов напряжения переменной полярности амплитудой U и длительностью t_c. Во взрывном режиме работы актюатора U превышает пороговое напряжение U_n, при котором концентрация нанопузырей в рабочей камере достигает критической величины. Нанопузыри сливаются в микропузырь, содержащий стехиометрическую смесь газов и наноразмерные капли электролита. Благодаря каплям отношение площади поверхности к объему для микропузыря имеет тот же порядок величины, что и для нанопузыря. Это обстоятельство способствует спонтанному зажиганию реакции между газами. Смесь газов превращается в электролит в течение нескольких десятков наносекунд. При этом выделяется энергия, приводящая к взрывному расширению микропузыря. Расширяющийся микропузырь создает избыточное давление в камере, и мембрана перемещается относительно исходного положения, что схематично показано на фиг. 4. В результате расширения микропузырь достигает большого размера, что обеспечивает большой диапазон перемещения мембраны.

Как правило, взрыв происходит раньше окончания серии импульсов. Подача импульсов на электрод после взрыва приводит к производству газов, создающих паразитное перемещение мембраны, и увеличивает потребляемую мощность актюатора. В случае многократного срабатывания газы накапливаются в камере, нарушая функционирование микромеханической части. Чтобы исключить эти эффекты, управляющее устройство прерывает серию импульсов по наступлению взрыва. Импульсы подаются на электрод лишь в течение активного времени t_a, показанного на фиг. 3. Это время отсчитывается от начала серии до момента взрыва и не превышает t_c.

Управляющее устройство прерывает серию импульсов следующим образом. Взрывающийся микропузырь изолирует электроды от электролита, что приводит к спаду тока, протекающего через них. В отсутствие спада тока разность напряжений на положительном и отрицательном входах компаратора имеет положительную величину благодаря делителю напряжения, уменьшающему величину сигнала второго интегратора. При наступлении спада выходное напряжение первого интегратора убывает быстрее выходного напряжения второго интегратора, поэтому через некоторое время разность напряжений на входах компаратора становится отрицательной. Это событие приводит к смене логического состояния компаратора, что является сигналом для микроконтроллера к прерыванию серии импульсов. Таким образом, наличие двух интеграторов, делителя напряжения и компаратора в составе управляющего устройства позволяет ему прерывать серию импульсов по наступлению взрыва. Благодаря этому актюатор имеет возможность работать с большим диапазоном перемещения.

Время интегрирования первого интегратора должно обеспечивать сглаживание пульсаций тока, возникающих при смене полярности импульсов. Минимально необходимое время равняется одному периоду сигнала. Для генерации нанопузырей применяются импульсы длительностью t_o (см. фиг. 3) от 0,1 мкс до 5 мкс. Таким образом, время интегрирования первого интегратора желательно выбирать из диапазона от 0,2 до 10 мкс. Для оперативного реагирования управляющего устройства на спад тока время интегрирования второго интегратора должно быть существенно больше времени интегрирования первого интегратора. Время интегрирования второго интегратора желательно выбирать из диапазона от 50 до 200 мкс.

Коэффициент передачи делителя напряжения определяет чувствительность управляющего устройства к величине спада тока, которая, в свою очередь, связана с размером взрывающегося микропузыря. Более крупный пузырь вызывает более сильный спад и обеспечивает больший диапазон перемещения мембраны. Величина спада обычно составляет от 5% до 70%, поэтому коэффициент передачи делителя выбирают из диапазона от 0,3 до 0,95. При низком коэффициенте передачи управляющее устройство не прерывает серию импульсов при возникновении слабых взрывов и подает импульсы до тех пор, пока не возникнет сильный взрыв или не наступит окончание серии. При высоком коэффициенте передачи управляющее устройство прерывает серию импульсов по наступлению как сильных, так и слабых взрывов.

Цифро-аналоговый преобразователь может быть выполнен в виде отдельного электронного компонента или быть встроенным в микроконтроллер. Встроенный цифро-аналоговый преобразователь более предпочтителен, поскольку такое исполнение делает управляющее устройство более компактным и снижает его энергопотребление.

Достоинствами предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом является увеличенный диапазон перемещения мембраны, а также отсутствие спада производительности и роста энергопотребления актюатора в ходе эксплуатации. Указанные достоинства обеспечиваются совокупностью существенных отличительных признаков.

Реализация предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим примером.

Микромеханическая часть актюатора схематично изображена на фиг. 5. Подложкой служит кремниевая пластина, покрытая термически выращенным слоем оксида кремния толщиной 1 мкм. На поверхности оксидного слоя сформированы боковые стенки рабочей камеры высотой 16 мкм из фоторезиста SU-8. Камера имеет цилиндрическую форму, ее диаметр составляет 500 мкм. Камера закрыта мембраной из полидиметил сил океана толщиной 30 мкм и заполнена молярным раствором сульфата натрия в дистиллированной воде. Внутри камеры располагаются два электрода, имеющие двухслойную структуру: слой алюминия толщиной 500 нм покрыт слоем рутения толщиной 150 нм.

Управляющее устройство представляет собой микроконтроллер, генерирующий однополярные импульсы напряжения длительностью 1 мкс и выдающий их через встроенный цифро-аналоговый преобразователь на предусилитель, выполненный на операционном усилителе. Предусилитель сдвигает постоянную составляющую сигнала, преобразуя однополярные импульсы в импульсы переменной полярности. Эти импульсы поступают на усилитель мощности с коэффициентом усиления 20, выполненный на операционных усилителях и биполярных транзисторах. Усиленные импульсы напряжения подаются на один из электродов, в то время как второй электрод заземлен. Ток, протекающий через электроды, поступает на токовый трансформатор и индуцирует ток в его вторичной обмотке. Индуцированный ток подается на преобразователь тока в напряжение, выполненный в виде резистора. Напряжение, повторяющее форму тока, поступает на выпрямитель, реализованный по схеме идеального диода.

Выпрямленное напряжение подается на два интегратора, каждый из которых реализован в виде электрической цепи, состоящей из резистора и конденсатора. Первый интегратор имеет время интегрирования 4,7 мкс, в то время как второй интегратор выполняет интегрирование на интервале 73 мкс. Выходные сигналы интеграторов поступают на компаратор, реализованный на операционном усилителе. Сигнал первого интегратора подается на положительный вход компаратора напрямую, а сигнал второго интегратора проходит на отрицательный вход через резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи 0,93. Выходной сигнал компаратора поступает на вход прерывания микроконтроллера.

Пороговое напряжение U_n микромеханической части составляет около 12 В для серии импульсов длительностью t_c равной 20 мс. Осциллограмма тока, протекающего через электроды при подаче серии импульсов амплитудой U равной 13 В, представлена на фиг. 6а. Взрыв происходит через 3 мс после начала серии, о чем свидетельствует спад тока, детально показанный на фиг. 6б. Управляющее устройство прерывает серию импульсов по наступлению спада тока. Фотография рабочей камеры после прерванной серии представлена на фиг. 7а. В ней присутствуют лишь несколько остаточных пузырей диаметром до 20 мкм. Фотография рабочей камеры через 1000 срабатываний с частотой 10 Гц показана на фиг. 7б. В ней присутствует небольшое количество остаточных пузырей, как и после подачи одной серии импульсов. Таким образом, газ не накапливается в камере, что делает возможной работу актюатора во взрывном режиме.

Перемещение мембраны под действием взрыва показано на фиг. 8. Сплошной линией отмечено исходное положение мембраны, пунктирной линией отмечено ее положение при максимальном перемещении. Максимальное перемещение, вычисленное по представленному кадру, составляет 116 мкм. Среднее значение максимального перемещения, рассчитанное по нескольким кадрам, составляет 90 мкм. Таким образом, диапазон перемещения составляет 18%. Эта величина более чем в 7 раз превышает диапазон перемещения прототипа. Диапазон перемещения не уменьшается в ходе эксплуатации благодаря рутениевому покрытию электродов.

Мощность, потребляемая микромеханической частью за рабочий цикл длительностью 100 мс, составляет 28 мВт, в то время как прототип потребляет более 40 мВт. Таким образом, заявленное изобретение обладает на 30% меньшим энергопотреблением по сравнению с прототипом, что достигается благодаря использованию рутениевого покрытия электродов и прерыванию серии импульсов по наступлению взрыва. Энергопотребление актюатора не увеличивается в ходе эксплуатации, что также достигается благодаря рутениевому покрытию электродов.

Технический результат изобретения заключается в существенном улучшении рабочих характеристик электрохимического актюатора. В отличие от прототипа, предлагаемое изобретение увеличивает диапазон перемещения с сохранением высокого быстродействия.

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам, а именно к мембранным актюаторам для лабораторий на чипе, микродвигателей и микроробототехнических систем. Технический результат заключается в улучшении рабочих характеристик электрохимического актюатора за счет возможности работать с большим диапазоном перемещения. Электрохимический актюатор включает микромеханическую часть в виде рабочей камеры с двумя электродами, заполненной электролитом и закрытой мембраной, и управляющее устройство, содержащее микроконтроллер, цифро-аналоговый преобразователь, предусилитель, усилитель мощности, токовый трансформатор, преобразователь тока в напряжение, выпрямитель и интегратор, а также дополнительно содержит интегратор, делитель напряжения и компаратор. Электроды выполнены из металла платиновой группы или имеют покрытие из металла платиновой группы. Выходной сигнал выпрямителя подается на два параллельно включенных интегратора, выходные сигналы которых подаются на компаратор. Первый интегратор соединен с положительным входом компаратора напрямую и имеет меньшее время интегрирования, чем второй интегратор, а второй интегратор соединен с отрицательным входом компаратора через делитель напряжения. Выходной сигнал компаратора подается на микроконтроллер. Наличие двух интеграторов, делителя напряжения и компаратора в составе управляющего устройства позволяет ему прерывать серию импульсов по наступлению взрыва микропузыря в рабочей камере. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электрохимический актюатор, включающий микромеханическую часть в виде рабочей камеры с двумя электродами, заполненной электролитом и закрытой мембраной, и управляющее устройство, содержащее микроконтроллер, цифро-аналоговый преобразователь, предусилитель, усилитель мощности, токовый трансформатор тока, протекающего через электроды, один из которых заземлен, преобразователь тока в напряжение, выпрямитель и интегратор, причем микроконтроллер формирует однополярные импульсы напряжения и подает их через цифро-аналоговый преобразователь на предусилитель, который сдвигает постоянную составляющую сигнала, преобразуя однополярные импульсы в импульсы переменной полярности, при этом микроконтроллер прерывает формирование импульсов в серии импульсов при смене на его входе логического состояния компаратора, отличающийся тем, что электроды выполнены из металла платиновой группы или имеют покрытие из металла платиновой группы, а управляющее устройство дополнительно содержит интегратор, делитель напряжения и компаратор, при этом выходной сигнал выпрямителя подается на два параллельно включенных интегратора, выходные сигналы интеграторов подаются на компаратор, причем первый интегратор соединен с положительным входом компаратора напрямую и имеет меньшее время интегрирования, чем второй интегратор, а второй интегратор соединен с отрицательным входом компаратора через делитель напряжения, а выходной сигнал компаратора подается на микроконтроллер.

2. Электрохимический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что электроды выполнены из рутения, родия или иридия или имеют покрытие из рутения, родия или иридия.

3. Электрохимический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что первый интегратор имеет время интегрирования, выбранное из диапазона от 0,2 мкс до 10 мкс, а второй интегратор имеет время интегрирования, выбранное из диапазона от 50 мкс до 200 мкс.

4. Электрохимический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что делитель напряжения имеет коэффициент передачи, выбранный из диапазона от 0,3 до 0,95.

5. Электрохимический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что цифро-аналоговый преобразователь встроен в микроконтроллер.