**المنتج:** جيروسكوب MEMS للأجهزة بالقصور الذاتي
**سمات:**
– **المواد:** سبائك معدنية، مواد وظيفية، بوليمرات عضوية، مواد غير عضوية لا فلزية
- **العوامل المؤثرة على الاستقرار:** العيوب المجهرية، حجم الحبيبات، النسيج، الإجهاد الداخلي
– **الأثر البيئي:** يتأثر الأداء بالحمل الزائد والاهتزازات وتغيرات درجة الحرارة
- **تنظيم البنية المجهرية:** استخدام مركبات SiC/Al لتقليل كثافة الانخلاعات وتحسين المتانة
**المزايا:** يعزز الدقة والاستقرار على المدى الطويل، ويضمن التحكم المخصص في البنية المجهرية الموثوقية في ظل ظروف متغيرة، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات في مجال الطيران والفضاء والتسجيل الدقيق.
في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع في مجالات تسجيل بيانات النفط، والفضاء، والتعدين، والمسح ورسم الخرائط، وغيرها، أصبحت دقة واستقرار الأجهزة الدقيقة، مثل الجيروسكوبات الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، على المدى الطويل، أكثر إلحاحًا. وقد أظهرت الدراسات أن عدم استقرار أبعاد المواد يُعدّ أحد الأسباب الرئيسية لضعف دقة واستقرار الأجهزة التي تعمل بالقصور الذاتي. ويختلف استقرار الأبعاد عن التمدد الحراري أو أداء دورات التبريد والتسخين، فهو مؤشر الأداء الرئيسي لمواد الأجزاء الميكانيكية الدقيقة، ويشير إلى قدرة الأجزاء على الحفاظ على حجمها وشكلها الأصليين في بيئة محددة.
توجد أربعة أنواع رئيسية من مواد مكونات أجهزة القياس بالقصور الذاتي، أولها المعادن (مثل الألومنيوم وسبائك الألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والنحاس وسبائك النحاس، وسبائك التيتانيوم، والبريليوم، والذهب، وما إلى ذلك) وموادها المركبة؛ ثانيها المواد الوظيفية (مثل سبائك الحديد والنيكل المغناطيسية اللينة، وسبائك الساماريوم والكوبالت المغناطيسية الصلبة، وسبائك الألومنيوم والنيكل والكوبالت المغناطيسية الصلبة، وما إلى ذلك)؛ ثالثها البوليمرات العضوية (مثل متعدد رباعي فلورو الإيثيلين، والمطاط، وراتنج الإيبوكسي، وما إلى ذلك)؛ رابعها المواد غير العضوية غير المعدنية (مثل زجاج الكوارتز، والسيراميك القابل للمعالجة، وما إلى ذلك)، والتي تشكل المعادن وموادها المركبة النسبة الأكبر منها.
في السنوات الأخيرة، حققنا إنجازاتٍ بارزة في مجال التصنيع الآلي عالي الدقة، وتقنية التجميع منخفضة الإجهاد، لكننا ما زلنا نلاحظ انحرافًا طفيفًا في دقة الجهاز بعد تسليمه، مما يحول دون تحقيق استقرارٍ طويل الأمد. في الواقع، بعد تحديد التصميم الهيكلي، ومعالجة الأجزاء، وعملية التجميع، يعتمد استقرار دقة الجهاز على المدى الطويل على الخصائص الجوهرية للمادة.
تؤثر الخصائص الذاتية للمادة (مثل العيوب المجهرية، والطور الثانوي، وحجم الحبيبات، والنسيج، وما إلى ذلك) بشكل مباشر على استقرار أبعادها. بالإضافة إلى ذلك، تخضع مادة الجهاز لتغيرات أبعاد غير قابلة للانعكاس عند تفاعلها مع البيئة الخارجية (مجال الإجهاد، ومجال درجة الحرارة، والزمن، وما إلى ذلك). يوضح الشكل 1 العلاقة بين دقة جهاز القياس بالقصور الذاتي وظروف التشغيل، والبنية المجهرية للمادة، وتغير حجمها. فعلى سبيل المثال، تؤثر ظروف تشغيل جيروسكوب MEMS وبيئة تخزينه على استقرار أبعاد المادة. حتى مع وجود نظام للتحكم في درجة حرارة جيروسكوب MEMS، فإن عدم استقرار البنية المجهرية للمادة نفسها، أو وجود طور ثانوي شبه مستقر، أو وجود إجهاد متبقٍ كبير/صغير أثناء التجميع، سيؤدي إلى انحراف دقة الجهاز.
الشكل 1: العلاقة بين دقة أجهزة القياس بالقصور الذاتي، وظروف التشغيل، والبنية المجهرية، والتغيرات البعدية
تشمل الخصائص الجوهرية لمواد الجيروسكوب MEMS بشكل أساسي العيوب المجهرية، والطور الثاني، والحبيبات، والنسيج، والإجهاد الداخلي، وما إلى ذلك. وتتفاعل العوامل البيئية الخارجية بشكل رئيسي مع الخصائص الجوهرية لتسبب تغيرات في الأبعاد.
1. كثافة وشكل العيوب المجهرية
تشمل العيوب المجهرية في المعادن والسبائك الفراغات، والانخلاعات، والتوائم، وحدود الحبيبات، وغيرها. يُعدّ الانخلاع الشكل الأكثر شيوعًا للعيوب المجهرية، وهو يشير إلى العيوب الناتجة عن الترتيب غير المنتظم للذرات في البلورات المنتظمة، مثل غياب أو زيادة نصف المستوى الذري لانخلاع الحافة. وبسبب إدخال الانخلاع لحجم حر في البلورات المثالية، تحدث تغيرات في حجم المادة، كما هو موضح في الشكل 2. ومع ذلك، في حالة ثبات عدد الذرات، يؤدي وجود الانخلاع إلى ظهور حجم حر حول الذرات، وهو ما ينعكس في زيادة حجم السبيكة.
الشكل 2: رسم تخطيطي لتأثير كثافة العيوب المجهرية في المواد على أبعاد المادة
2. تأثير الحبيبات والنسيج على الاستقرار
تم اشتقاق العلاقة بين الانفعال ε للمعدن أو السبيكة تحت تأثير الإجهاد المطبق σ وحجم الحبيبات d للمادة، وكثافة ρ للخلع المتحرك، والإجهاد σ0 المطلوب لبدء أول خلع، ومعامل القص G للمادة:
يتضح من الصيغة أن تحسين الحبيبات يمكن أن يقلل من الإجهاد المتولد، وهو أيضًا الاتجاه التوجيهي لتنظيم البنية المجهرية في عملية التثبيت.
بالإضافة إلى ذلك، في الإنتاج الفعلي، عند استخدام القضبان المبثوقة والصفائح المدرفلة لتصنيع مكونات الأجهزة الدقيقة، من الضروري أيضًا مراعاة تباين الخواص للمادة، كما هو موضح في الشكل 3. فعلى سبيل المثال، عند استخدام سبيكة 2024Al لإطار الجيروسكوب الميكانيكي، يعتمد الإطار الموضح في الشكل 3(أ) عمومًا على قضيب من سبيكة الألومنيوم 2024 المبثوقة. ونظرًا للتشوه اللدن الكبير، تُظهر الحبيبات اتجاهًا تفضيليًا لتشكيل نسيج، كما هو موضح في الشكلين 3(ب) و3(ج). ويشير النسيج إلى الحالة التي ينحرف فيها اتجاه البلورات في المادة متعددة البلورات بشكل كبير عن التوزيع العشوائي.
الشكل 3: البنية المجهرية لقضيب سبيكة 2024Al المستخدم في إطارات الجيروسكوب الميكانيكي
3. تأثير البيئة على استقرار أبعاد المواد
بشكل عام، تحتاج أجهزة القياس بالقصور الذاتي إلى الحفاظ على استقرار دقتها على المدى الطويل في ظل ظروف مثل التحميل الزائد الكبير والاهتزاز والصدمات وتغيرات درجات الحرارة، مما يفرض متطلبات تثبيت أكثر دقة على البنية المجهرية وخصائص المواد. فعلى سبيل المثال، عند استخدام مركبات SiC/2024Al المستخدمة في تصنيع الأجهزة، يتم تحقيق استقرار الأبعاد على المدى الطويل من خلال عملية تثبيت في تصنيع هياكل أجهزة القياس بالقصور الذاتي. وتُظهر النتائج أن سعة تغير الحجم (~ 1.5×10⁻⁴) الناتجة عن عملية تثبيت درجة الحرارة لمركب SiC/الألومنيوم النقي (حيث يؤثر الإجهاد الداخلي فقط على تغير الحجم) أكبر من تلك الناتجة عن عملية تثبيت درجة الحرارة لسبائك الألومنيوم (حيث يؤثر ترسيب التقادم فقط على تغير الحجم) (~ -0.8×10⁻⁴). عندما تصبح المادة الأساسية سبيكة ألومنيوم، يتضاعف تأثير الإجهاد الداخلي للمركب على تغير الأبعاد، كما هو موضح في الشكل 4. بالإضافة إلى ذلك، يختلف اتجاه تغير الإجهاد الداخلي للمادة نفسها باختلاف بيئات التشغيل، بل قد يظهر اتجاه معاكس لتغير الحجم. على سبيل المثال، تُنتج مركبات SiC/2024Al تحررًا للإجهاد الانضغاطي عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 190 درجة مئوية، مما يؤدي إلى زيادة الحجم، بينما يحدث تحرر للإجهاد الشدّي عند 500 صدمة باردة وساخنة عند درجات حرارة تتراوح بين -196 و190 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انخفاض الحجم.
لذا، عند تصميم واستخدام مركبات المصفوفة الألومنيومية، من الضروري التحقق بدقة من درجة حرارة التشغيل، وحملها، وحالة الإجهاد الأولية، ونوع مادة المصفوفة. وتقوم فكرة تصميم العملية الحالية، القائمة على تثبيت الإجهاد، على إجراء صدمات حرارية وباردة تغطي نطاق درجة حرارة التشغيل، مما يؤدي إلى تخفيف الإجهاد الداخلي، وتكوين عدد كبير من هياكل الانخلاعات المستقرة داخل المادة المركبة، وتعزيز الترسيب الثانوي.
الشكل 4: التغيرات البعدية في سبائك الألومنيوم والمواد المركبة أثناء التقادم عند درجة حرارة ثابتة
1. تنظيم وتحسين العيوب الدقيقة
يُعدّ اختيار نظام مواد جديد وسيلة فعّالة للتحكم في العيوب المجهرية. على سبيل المثال، يُمكن استخدام مركبات SiC/Al المُصنّعة خصيصًا للأجهزة، وجزيئات سيراميك SiC لتثبيت الانخلاعات في مصفوفة الألومنيوم، أو تقليل كثافة الانخلاعات المتحركة، أو تغيير نوع العيب في المعدن. وبالنظر إلى مركبات SiC/Al كمثال، تُشير الأبحاث إلى أنه عند تقليل متوسط المسافة بين جزيئات السيراميك في المركبات إلى 250 نانومتر، يُمكن تحضير مركب ذي عيب طبقي، ويكون حد المرونة لهذا المركب أعلى بنسبة 50% من حد المرونة للمركب الخالي من العيوب الطبقية، كما هو موضح في الشكل 5.
الشكل 5: نوعان من مورفولوجيا المواد المركبة
تجدر الإشارة إلى أنه عند تطوير مسار عملية التحكم التنظيمي، من الضروري أيضًا اختيار نظام المواد المناسب ومعايير عملية الصدمات الباردة والحرارية، مع مراعاة ظروف الإجهاد ونطاق درجة حرارة التشغيل لبيئة خدمة جهاز القياس بالقصور الذاتي. في السابق، كان اختيار نظام المواد ومعايير العملية يعتمد على الخبرة وبيانات الأداء الكثيرة، مما أدى إلى نقص في الأساس النظري لتصميم العملية بسبب غياب الدعم المتعلق بالبنية المجهرية. في السنوات الأخيرة، ومع التطور المستمر لتقنيات الاختبار التحليلي، أصبح من الممكن إجراء تقييم كمي أو شبه كمي لكثافة العيوب المجهرية وشكلها باستخدام مطياف حيود الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني الماسح، والمجهر الإلكتروني النافذ، مما يوفر دعمًا تقنيًا لتحسين نظام المواد وفحص العملية.
2. تنظيم الحبوب والملمس
يُعزى تأثير النسيج على استقرار الأبعاد إلى التباين الذي يُسبب تغير الأبعاد. وكما ذُكر سابقًا، يتطلب إطار جيروسكوب MEMS دقةً رأسيةً فائقةً في الاتجاهين المحوري والقطري، ويجب التحكم في خطأ التصنيع بدقة تصل إلى مستوى الميكرونات لتجنب انحراف مركز ثقل جيروسكوب MEMS. لهذا السبب، خضع قضيب 2024Al المبثوق لمعالجة حرارية بالتشكيل. يوضح الشكل 6 صورًا مجهريةً لتشوه ضغط محوري بنسبة 40% لسبائك الألومنيوم 2024 المبثوقة، بالإضافة إلى صور البنية المجهرية قبل وبعد التشكيل الحراري. قبل المعالجة الحرارية بالتشكيل، يصعب حساب حجم الحبيبات المحورية، ولكن بعد المعالجة، بلغت درجة تساوي المحاور للحبيبات عند حافة القضيب 0.98، مما يشير إلى زيادة ملحوظة في درجة تساوي المحاور للحبيبات. بالإضافة إلى ذلك، يُلاحظ من الشكل أن فرق مقاومة التشوه الطفيف بين المحوري والقطري للعينة الأصلية يبلغ 111.63 ميجا باسكال، مما يدل على تباين قوي في الخواص. بعد المعالجة الحرارية للتشوه، بلغت قيم مقاومة التشوه الطفيف المحورية والقطرية 163 ميجا باسكال و149 ميجا باسكال على التوالي. وبالمقارنة مع العينة الأصلية، تغيرت نسبة مقاومة التشوه الطفيف المحورية إلى القطرية من 2.3 قبل المعالجة الحرارية للتشوه إلى 1.1، مما يشير إلى تحسن ملحوظ في التخلص من تباين الخواص في المادة بعد المعالجة الحرارية للتشوه.
الشكل 6: رسم تخطيطي للمعالجة المتساوية الخواص، وتغيرات البنية المجهرية، واختبار أداء قضيب من سبائك الألومنيوم
لذا، عند استخدام قضبان أو صفائح سبائك الألومنيوم في تصنيع مكونات أجهزة القياس بالقصور الذاتي، يُنصح بزيادة مرحلة المعالجة الحرارية للتشكيل، وإزالة النسيج البلوري، والحصول على بنية متجانسة، وتجنب تباين الخواص أثناء التشكيل. ويمكن الحصول على المعلومات الإحصائية للنسيج البلوري باستخدام تقنية حيود الإلكترونات المشتتة عكسيًا (EBSD) في المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، أو حيود الإلكترونات المحفزة بالحرارة (TKD) في المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، أو حيود الأشعة السينية ثلاثي الأبعاد (XRD)، كما يمكن تحليل تغيرات النسيج البلوري كميًا.
انطلاقًا من الحاجة المُلحة إلى استقرار دقة أجهزة القياس بالقصور الذاتي على المدى الطويل، تستعرض هذه الورقة البحثية بشكل منهجي تأثير استقرار الأبعاد من منظور علم المواد، وتطرح سبلًا لتحسين استقرار دقة هذه الأجهزة على المدى الطويل من خلال الخصائص الذاتية للمواد. يُعدّ جهاز NF-1000، المُغلّف بطبقة سيراميكية من نوع LCC، جيروسكوبًا مُطوّرًا بتقنية MEMS لتحديد الشمال، مُستندًا إلى جيروسكوب MG-502، وقد زاد نطاقه من 50-100 درجة/ثانية إلى 500 درجة/ثانية، مُحققًا بذلك إنجازًا هامًا. تُعدّ المواد عنصرًا حاسمًا في استقرار هذه الأجهزة على المدى الطويل، وهي أساس أدائها الأمثل.
آمل أن تتمكن من خلال هذه المقالة من فهم معلومات حول الجيروسكوب الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS)، وإذا كنت ترغب في معرفة المزيد من المعلومات، يمكنك قراءة المنتجات والمقالات ذات الصلة.
Xml سياسة الخصوصية المدونة خريطة الموقع
حقوق النشر
@ شركة مايكرو ماجيك كل الحقوق محفوظة.
دعم الشبكة
بالعربية
