النقاط الرئيسية**المنتج:** جيروسكوب MEMS لأدوات القصور الذاتي**سمات:**– **المواد:** سبائك معدنية، مواد وظيفية، بوليمرات عضوية، مواد غير عضوية غير معدنية– **مؤثرات الاستقرار:** العيوب المجهرية، حجم الحبوب، الملمس، الإجهاد الداخلي– **التأثير البيئي:** يتأثر الأداء بالحمل الزائد والاهتزاز ودورات درجة الحرارة- **تنظيم البنية الدقيقة:** استخدام مركبات SiC/Al لتقليل كثافة الخلع وتحسين القوة**المزايا:** يعزز الدقة والاستقرار على المدى الطويل، ويضمن التحكم المخصص في البنية الدقيقة الموثوقية في ظل ظروف مختلفة، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات في مجال الطيران والتسجيل الدقيق.في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع في مجال تسجيل النفط والفضاء والتعدين والمسح ورسم الخرائط وغيرها من المجالات، أصبحت الدقة والاستقرار على المدى الطويل للأدوات الدقيقة مثل جيروسكوب MEMS أكثر إلحاحًا. أظهرت الدراسات أن عدم الاستقرار البعدي للمواد هو أحد الأسباب الرئيسية لضعف دقة واستقرار أدوات القصور الذاتي. يختلف استقرار الأبعاد عن التمدد الحراري أو أداء التدوير الحراري، فهو مؤشر الأداء الرئيسي لمواد الأجزاء الميكانيكية الدقيقة، ويشير إلى قدرة الأجزاء على الحفاظ على حجمها وشكلها الأصلي في بيئة معينة.مادة أداة القصور الذاتي القائمة على جيروسكوب MEMSهناك أربعة أنواع رئيسية من المواد المكونة لأداة القصور الذاتي، أحدهما معدني (مثل سبائك الألومنيوم والألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والنحاس وسبائك النحاس، وسبائك التيتانيوم، والبريليوم، والذهب، وما إلى ذلك) ومواده المركبة؛ ثانيًا، المواد الوظيفية (مثل السبائك المغناطيسية الناعمة من الحديد والنيكل، والسبائك المغناطيسية الصلبة من الساماريوم والكوبالت، وسبائك المغناطيسية الصلبة من النيكل والكوبالت، وما إلى ذلك)؛ ثالثًا، البوليمرات العضوية (مثل بولي تترافلوروإيثيلين، والمطاط، وراتنجات الإيبوكسي، وما إلى ذلك)؛ والرابع هو المواد غير المعدنية غير العضوية (مثل زجاج الكوارتز، والسيراميك القابل للمعالجة، وما إلى ذلك)، والتي تكون الكمية الأكبر منها من المعدن ومواده المركبة.في السنوات الأخيرة، حققنا اختراقات في تصنيع الآلات عالية الدقة، وتكنولوجيا التجميع المنخفضة/الخالية من الإجهاد، لكننا ما زلنا نجد أنه بعد تسليم الأداة، هناك انجراف بطيء في الدقة ولا يمكن تحقيق الاستقرار على المدى الطويل. في الواقع، بعد التصميم الهيكلي، يتم تحديد عملية معالجة الأجزاء وتجميعها، ويعتمد استقرار دقة الأداة على المدى الطويل على الخصائص الجوهرية للمادة.تؤثر الخصائص الجوهرية للمادة (مثل العيوب المجهرية، والمرحلة الثانية، وحجم الحبوب، والملمس، وما إلى ذلك) بشكل مباشر على ثبات أبعاد المادة. بالإضافة إلى ذلك، ستخضع مادة الجهاز أيضًا لتغيرات أبعاد لا رجعة فيها في ظل التفاعل مع البيئة الخارجية (مجال الضغط، ومجال درجة الحرارة، والوقت، وما إلى ذلك). يوضح الشكل 1 العلاقة بين دقة أداة القصور الذاتي وظروف الخدمة والبنية المجهرية للمادة وتغير الحجم. إذا أخذنا جيروسكوب MEMS كمثال، فإن ظروف العمل وبيئة التخزين الخاصة به لها تأثير على استقرار أبعاد المادة. حتى لو كان جيروسكوب MEMS يحتوي على نظام للتحكم في درجة الحرارة، إذا كانت البنية المجهرية للمادة نفسها غير مستقرة، أو كانت هناك مرحلة ثانية شبه مستقرة، أو كان هناك إجهاد متبقي كلي/جزئي أثناء التجميع، فسوف تنحرف دقة الجهاز.الشكل 1: العلاقة بين دقة أدوات القصور الذاتي وظروف الخدمة والبنية المجهرية والتغيرات في الأبعادالعوامل المؤثرة في تغير الموادتشتمل الخصائص الجوهرية لمواد جيروسكوب MEMS بشكل أساسي على العيوب المجهرية، والمرحلة الثانية، والحبوب، والملمس، والإجهاد الداخلي، وما إلى ذلك. وتتفاعل العوامل البيئية الخارجية بشكل أساسي مع الخصائص الجوهرية لإحداث تغييرات في الأبعاد.1. كثافة وشكل العيوب المجهريةتشمل العيوب المجهرية في المعادن والسبائك الشواغر، والخلع، والتوائم وحدود الحبوب، وما إلى ذلك. والخلع هو الشكل الأكثر شيوعًا للعيوب المجهرية، والذي يشير إلى العيوب التي تتكون من ترتيب غير منتظم للذرات في بلورات مرتبة بانتظام، مثل الغياب أو الزيادة من نصف الطائرة الذرية من خلع الحافة. نظرًا لأن الخلع يؤدي إلى إدخال حجم حر إلى بلورات مثالية، تحدث تغيرات في حجم المادة، كما هو موضح في الشكل 2. ومع ذلك، في حالة نفس العدد من الذرات، فإن وجود الخلع يجعل الحجم الحر حول الذرات يظهر، مما يؤدي إلى ظهور حجم حر حول الذرات. ينعكس في زيادة حجم السبائك.الشكل 2: رسم تخطيطي لتأثير كثافة العيوب المجهرية في المواد على أبعاد المادة2. تأثير الحبوب والملمس على الثباتالعلاقة بين سلالة ε من المعدن أو السبائك تحت الضغط المطبق σ وحجم الحبوب d للمادة، والكثافة ρ للخلع المتحرك، والإجهاد σ0 المطلوب لبدء الخلع الأول، ومعامل القص G لل المواد مشتقة:يمكن أن نرى من الصيغة أن تكرير الحبوب يمكن أن يقلل من الإجهاد المتولد، وهو أيضًا الاتجاه الموجه لتنظيم البنية المجهرية في عملية التثبيت.بالإضافة إلى ذلك، في الإنتاج الفعلي، عند استخدام القضبان المبثوقة والألواح الملفوفة لمعالجة مكونات الأجهزة الدقيقة، من الضروري أيضًا الانتباه إلى تباين المادة، كما هو موضح في الشكل 3. أخذ سبيكة 2024Al لإطار الجيروسكوب الميكانيكي كمثال ، يعتمد الإطار في الشكل 3 (أ) بشكل عام شريط سبائك الألومنيوم 2024 المبثوق. بسبب التشوه البلاستيكي الكبير، ستظهر الحبوب اتجاهًا تفضيليًا لتكوين الملمس، كما هو موضح في الشكل 3 (ب) و(ج)، يشير الملمس إلى الحالة التي ينحرف فيها الاتجاه البلوري للمادة متعددة البلورات بشكل كبير عن التوزيع العشوائي.الشكل 3: البنية المجهرية لقضبان سبيكة 2024Al لإطارات الجيروسكوب الميكانيكيةالمنتجات في المادة3. تأثير البيئة على ثبات الأبعاد للمواد بشكل عام، تحتاج أدوات القصور الذاتي إلى الحفاظ على استقرار الدقة على المدى الطويل في ظل ظروف مثل الحمل الزائد الكبير، والاهتزاز والصدمات، ودورة درجة الحرارة، مما يطرح متطلبات تثبيت أكثر تطلبًا للبنية المجهرية وخصائص المواد. بأخذ مركبات SiC/2024Al من فئة الأدوات كمثال، يتم تحقيق استقرار الأبعاد على المدى الطويل من خلال عملية التثبيت في تصنيع هياكل الأجهزة بالقصور الذاتي. أظهرت النتائج أن سعة تغيير الحجم (~ 1.5×10-4) الناتجة عن عملية الاحتفاظ بدرجة حرارة ثابتة لمركب SiC/ الألومنيوم النقي (فقط الضغط الداخلي يلعب تأثيرًا على تغيير الحجم) أكبر من تلك الموجودة في سبائك الألومنيوم عملية الحفاظ على درجة حرارة ثابتة (فقط هطول الأمطار المتقادم هو الذي يؤثر على تغيير الحجم) (~ -0.8×10-4). عندما تصبح المصفوفة سبيكة Al، سيتم تضخيم تأثير الضغط الداخلي للمركب على التغير في الأبعاد، كما هو مبين في الشكل 4. بالإضافة إلى ذلك، في ظل بيئات الخدمة المختلفة، يختلف اتجاه تغير الضغط الداخلي لنفس المادة ، وحتى الاتجاه المعاكس لتغير الحجم سيتم عرضه. على سبيل المثال، تنتج مركبات SiC/2024Al إطلاق إجهاد ضاغط عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 190 درجة مئوية، ويزداد الحجم، بينما يحدث إطلاق إجهاد الشد عند 500 صدمة باردة وساخنة عند -196 ~ 190 درجة مئوية، ويتناقص الحجم.لذلك، عند تصميم واستخدام مركبات مصفوفة الألومنيوم، من الضروري التحقق بشكل كامل من حمل درجة حرارة الخدمة وحالة الإجهاد الأولية ونوع مادة المصفوفة. في الوقت الحاضر، تتمثل فكرة تصميم العملية القائمة على تثبيت الإجهاد في تنفيذ الصدمة الباردة والحرارية التي تغطي نطاق درجة حرارة الخدمة، وإطلاق الضغط الداخلي، وتشكيل عدد كبير من هياكل الخلع المستقرة داخل المادة المركبة، وتعزيز عدد كبير من الترسيب الثانوي. .الشكل 4: التغيرات الأبعاد في سبائك الألومنيوم والمواد المركبة أثناء الشيخوخة في درجة حرارة ثابتةتدابير لتحسين استقرار الأبعاد للمكونات1. تنظيم وتحسين العيوب الدقيقةيعد اختيار نظام المواد الجديد طريقة فعالة للتحكم في العيوب الدقيقة. على سبيل المثال، استخدام مركبات SiC/Al من فئة الأدوات، وجزيئات السيراميك SiC لتثبيت الخلع في مصفوفة الألومنيوم، أو تقليل كثافة الخلع المتحرك، أو تغيير نوع الخلل في المعدن. بأخذ مركبات SiC/Al كمثال، يوضح البحث أنه عندما يتم تقليل متوسط المسافة بين جزيئات السيراميك في المركبات إلى 250 نانومتر، يمكن تحضير المركب مع خطأ الطبقة، والحد المرن للمركب مع خطأ الطبقة هو 50 % أعلى من تلك الموجودة في المركب بدون خطأ في الطبقة، كما هو موضح في الشكل 5.الشكل 5: نوعان من مورفولوجيا المواد المركبةتجدر الإشارة إلى أنه عند تطوير مسار عملية التحكم التنظيمي، من الضروري أيضًا تحديد نظام المواد المناسب ومعلمات عملية الصدمة الباردة والحرارية جنبًا إلى جنب مع ظروف الإجهاد ونطاق درجة حرارة العمل لبيئة خدمة أداة القصور الذاتي. في الماضي، كان اختيار نظام المواد ومعلمات العملية يعتمد على الخبرة وعدد كبير من بيانات الأداء، مما أدى إلى عدم كفاية الأساس النظري لتصميم العملية بسبب نقص دعم البنية الدقيقة. في السنوات الأخيرة، مع التطوير المستمر لتكنولوجيا الاختبارات التحليلية، يمكن إجراء تقييم كمي أو شبه كمي لكثافة العيوب المجهرية ومورفولوجيتها عن طريق مقياس حيود الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني الماسح، والمجهر الإلكتروني النافذ، الذي يوفر الدعم الفني للمواد تحسين النظام وفحص العمليات. 2. تنظيم الحبوب والملمس تأثير الملمس على استقرار الأبعاد هو التباين الذي يسبب تغير الأبعاد. كما ذكرنا سابقًا، يحتوي إطار جيروسكوب MEMS على متطلبات رأسية صارمة للغاية في الاتجاه المحوري والشعاعي، ويجب التحكم في خطأ المعالجة بترتيب الميكرونات لتجنب التسبب في انحراف النقطه الوسطى لجيروسكوب MEMS. لهذا السبب، تم إخضاع القضيب المبثوق 2024Al للمعالجة الحرارية للتشوه. يوضح الشكل 6 الصور المعدنية لتشوه الضغط المحوري بنسبة 40٪ لسبائك الألومنيوم المبثوقة 2024 وصور البنية المجهرية قبل التشوه الحراري وبعده. قبل المعالجة الحرارية للتشوه، من الصعب حساب حجم الحبوب المحورية، ولكن بعد المعالجة الحرارية للتشوه، تكون درجة الحبوب متساوية المحور عند حافة الشريط 0.98، وتزداد درجة الحبوب متساوية المحور بشكل ملحوظ . بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن نرى من الشكل أن الفرق الصغير في مقاومة التشوه بين المحوري والشعاعي للعينة الأصلية هو 111.63MPa، مما يدل على تباين قوي. بعد المعالجة الحرارية للتشوه، كانت قيم مقاومة التشوه الصغيرة المحورية والشعاعية 163 ميجا باسكال و 149 ميجا باسكال، على التوالي. بالمقارنة مع العينة الأصلية، تغيرت نسبة مقاومة التشوه الصغيرة المحورية والشعاعية من 2.3 قبل المعالجة الحرارية للتشوه إلى 1.1، مما يشير إلى أنه تم التخلص من تباين المادة بشكل أفضل بعد المعالجة الحرارية للتشوه.الشكل 6: رسم تخطيطي للمعالجة المتناحية وتغييرات البنية المجهرية واختبار أداء قضبان سبائك الألومنيوملذلك، عندما يجب استخدام قضبان أو ألواح سبائك الألومنيوم لمعالجة مكونات الأجهزة بالقصور الذاتي، يوصى بزيادة وصلة المعالجة الحرارية للتشوه، وإزالة الملمس، والحصول على تنظيم متناحي، وتجنب تباين التشوه. يمكن الحصول على المعلومات الإحصائية للنسيج عن طريق EBSD في SEM أو TKD في TEM أو XRD ثلاثي الأبعاد، ويمكن تحليل تغييرات النسيج كميًا.خاتمةبناءً على الحاجة الملحة لاستقرار الدقة على المدى الطويل لأدوات القصور الذاتي، تستعرض هذه الورقة بشكل منهجي تأثير استقرار الأبعاد من منظور علم المواد، وتطرح كيفية تحسين استقرار الدقة على المدى الطويل لأدوات القصور الذاتي من الخصائص الجوهرية من المواد. إن NF-1000، في حزمة سيراميك LCC، عبارة عن جيروسكوب MEMS مطور موجه نحو الشمال يعتمد على MG-502، وقد تمت زيادة نطاقه من 50-100 درجة/ثانية إلى 500 درجة/ثانية، مما يحقق إنجازًا بارزًا. تعتبر المواد ضرورية لتحقيق الاستقرار على المدى الطويل، وهي الأساس لأفضل أداء لها. آمل أنه من خلال هذه المقالة، يمكنك فهم معرفة الجيروسكوب MEMS، وتريد معرفة المزيد من المعلومات، ويمكنك قراءة المنتجات والمقالات ذات الصلة. MG502Mg-502 جيروسكوبات ذات محور واحد عالية الدقة