Научно-исследовательская лаборатория пьезоэлектрических устройств мехатроники.
Области исследований. Основные сотрудники
Лаборатория занимается разработкой, исследованием и математическим моделированием малогабаритных пьезоэлектрических микроустройств, в частности, микронасосов и пьезогироскопов.

Заведующий лабораторией
Виноградов Александр Николаевич, к.т.н., доцент, ведущий научный сотрудник.

Основные сотрудники:
Матвеев Е.В., м.н.с., к.т.н.,
Любченко Р.В., инж.-иссл.;
Иваникин И.А., инж.-иссл.;
Титов П.А., инж.-иссл.;
Тимченко Н.И., программист.
Важнейшие научные результаты

1. Разработаны оригинальные аналитические и численные методики моделирования напряженно-деформированного состояния в многослойных пьезопреобразователей (ПП) прямоугольной, дисковой и трубчатой форм. Новизна состоит в совместном учете электрических и температурных воздействий, а также свойств отдельных слоев. С использованием методик были разработаны и оптимизированы модели пьезогироскопов, пьезосканеров, микронасосов и пьезокорректоров лазерных гироскопов. За целевые функции оптимизации приняты показатели чувствительности, амплитуды микроперемещений и температурный диапазон термокомпенсации.

2. Разработана и апробирована оригинальная численная методика расчета ПП с использованием температурной аналогии обратного пьезоэффекта. Результаты расчета в компьютерной системе APMWinMachine хорошо согласуются с результатами аналитического моделирования и с экспериментальными данными, различие не превышает 10%. В основу методики положена замена в обобщенном законе Гука пьезоэлектрической компоненты на температурную с соответствующим пересчетом физических параметров. Эта методика позволяет вместо дорогостоящих зарубежных комплексов для решения задач с пьезоэффектом использовать отечественные программные продукты по расчету термодеформаций.

3. Проведена разработка и выполнены исследования малогабаритных перистальтических пьезонасосов. Решена задача обеспечения непрерывности потока и повышения точности дозирования путем создания режима возбуждения бегущей волны деформаций. Исследования проведены по аналитическим моделям, численным методом конечных элементов и экспериментальным моделированием. Сравнение результатов показало расхождения, не превышающие 15%. Работы проводились в ФГБНУ «НИИ ПМТ» при поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП по теме «Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки медицинских жидкостей малого объема» (шифр 2014-14-585-0008-006).

4. Разработана оригинальная методика оптимизации толщин слоев двухслойных ПП по критерию максимума передаточной функции рабочего хода. На основе этой методики построены универсальные инженерные номограммы, применение которых в разработке пьезонасосов позволило увеличить объем перекачиваемой жидкости, повысить производительность и снизить управляющее напряжение.

5. Разработана методика расчета чувствительности резонаторов пьезоэлектрических датчиков угловой скорости и построены модели, обладающие на 10–12% большей чувствительностью к изменению угловой скорости по сравнению с известными зарубежными аналогами за счет снижения влияния жесткости подвесных элементов и оптимизации геометрических параметров резонатора.

6. Разработана оригинальная обобщенная методика расчета напряженно-деформированного состояния трубчатых ПП многослойной структуры с произвольным количеством секторов и участков переменной жесткости. Впервые установлено, что жесткость металлических электродов оказывает существенное влияние на прогиб тонкостенной пьезотрубки. В реальных устройствах расчётное снижение прогиба может достигать 14% по сравнению с расчётами, проведёнными без учёта электродов. Разработанная методика позволяет более точно определять функциональные параметры прецизионных трубчатых ПП на этапе проектирования.

7. Представлена новая физико-математическая модель трубчатых ПП изгибного типа для сканирующей зондовой микроскопии, позволяющих осуществлять плоскопараллельное перемещение зонда или предметного столика с исследуемым образцом и сохранять плоскость сканирования и ортогональность к ней оси зонда в полном диапазоне перемещений. Это позволяет снизить затраты на математическую обработку сигнала. Указанные преимущества определяются применением пьезотрубки, по крайней мере, с двумя участками электродов на её длине, обеспечивающих изгиб в двух противоположных направлениях кривизны. Моделированием установлена зависимость рабочего хода зонда и размеров площади сканирования от соотношений длин участков и секторальных углов электродов, управляющих изгибом пьезотрубки.

8. На основе моделирования дисковых ПП методом конечных элементов, в рамках совместных НИР с ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, разработаны и исследованы схемные решения термокомпенсированныхпьезокорректоров оптических резонаторов, снижающие тепловой уход оптического периметра кольцевого лазерного гироскопа в диапазоне температур от минус 60 °С до +90 °С. Полученные результаты и рекомендации позволили на практике повысить процент выпуска датчиков с длительным временем работы с 15% до 60%.

9. Разработана структура динамической базы программных модулей для расчета пьезоустройств;

10. Сформулированы основные задачи проектирования экспертных систем, предназначенных для анализа пьезоустройств;

11. Разработан проект базы данных, включающей три группы материалов - металлы и сплавы (А), диэлектрики и полупроводники (В), пьезоэлектрики (С).

12. Разработан программный модуль «ПьезоЭксперт» для ОС Windows на начальном этапе, включающий возможности управления базой данных материалов и возможностью моделирования пьезомикроустройств;

13. Комплексные методики тестирования подтвердили корректность расчетных алгоритмов, разработанных в НИИ ПМТ программ для расчета пьезоприводов различных форм (трубчатых, дисковых и прямоугольных). Установлено, что погрешности расчета не превышают 2,5%.

14. Проведены экспериментальные исследования по определению предела прочности ряда припоев и пьезокерамик для пьезоприводов;

15. Разработана теоретическая методика и алгоритм программы для ЭВМ по моделированию напряжённо-деформированного состояния двухмембранныхпьезоактюаторов и датчиков многослойной структуры при действии давления и инерционных нагрузок от вибраций и колебаний.

Техническое оснащение лаборатории
  1. Генератор сигналов многофазный (собственная разработка);
  2. Генератор сигналов Tektronix AFG3021B;
  3. Осциллограф Tektronix MSO2024;
  4. Лазерный измеритель перемещений Keyence-LC2400A с датчиком LC-2450 (+/-0,5 мкм);
  5. Испытательные (разрывные) машины ShimadzuEZTest-LX и Shimadzu AGS-X с электронным тензометром ESA-CU200, термокамерой и захватами;
  6. МикротвердомерShimadzu DUH-211S; паяльная станция Lukey 852D+FAN, персональные компьютеры.
Публикации, патенты, авторские свидетельства, достижения
Публикации в рецензируемых изданиях (ВАК, Scopus, WebofScience):

  1. Виноградов А.Н., Матвеев Е.В. Моделирование резонатора пьезогироскопа в системе APM WinMachine // САПР и Графика. – 2008, №4. – С. 93-97.
  2. Виноградов А.Н., Матвеев Е.В. Моделирование трубчатого пьезосканера для зондовой микроскопии //Датчики и системы, 2012, № 12. – С.12-17.
  3. Виноградов А.Н., Матвеев Е.В. Моделирование многослойных трубчатых пьезосканеров в туннельной микроскопии//Наноинженерия. – 2013, №2. – С. 35-40.
  4. Виноградов А.Н., Запотылько Н.Р., Катков А.А., Матвеев Е.В. Проблемы оптического контакта при соединении элементов гелий-неоновых лазеров //Оптический журнал. – 2014. Т. 81. №. 4. – С. 61-67.
  5. Виноградов А.Н., Матвеев Е.В., Белов Е.Н., Юсупов Л.Н. Моделирова-ние и оптимизация перистальтических пьезонасосов для автоматической инфузии // Медицинская техника. – 2016. – № 4. – С. 32-35.
  6. A. Vinogradov, Ye. Matveev, I. Ivanikin, R. Lubchenco, P. Titov. The Influence of Material Properties on the Parameters of Piezoelectric Micropumps // Journal of Mechanical Engineering Research and Developments. Vol. 40, No. 4, 2017, pp. 699-705.


Публикации в других изданиях:

  1. Виноградов А.Н., Вотинов Ю.Ю., Матвеев Е.В. Термоупругие модели многослойного пьезоприводананоперемещений в лазерном гироскопе // Труды 2 Всероссийской научной школы для молодежи "Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем": сб. научн. тр. / МИЭМ. - Москва, 2009. – C. 109-119. - ISBN 978-5-94506-244-3.
  2. Матвеев Е.В., Духовенский Г.Е., Виноградов А.Н. Расчет тепловых деформаций и напряжений в многослойных наноструктурах оптических узлов для космической техники // Труды 1-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники»: сб. научн. тр./МИЭМ. – Москва, 2010. – C. 191-196.
  3. Матвеев Е.В. (м.н.с.), Виноградов А.Н. Анализ моделей вибрационных гироскопов. // Труды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники»: сб. научн. тр./МИЭМ. – Москва, 2011. – C. 238-243
  4. Матвеев Е.В., Виноградов А.Н. Анализ термоупругих НДС в вакуумно-плотном соединении оптических деталей лазерных резонаторов // Авиакосмические технологии (АКТ-2012): Труды XIII Всеросс. науч.–техн. конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. – Воронеж: ООО Фирма «Элист»; 2012. – 242с. – С. 132-139.
  5. Суворинов А.В., Виноградов А.Н., Юсупов Л.Н. Моделирование перистальтических пьезо-насосов //Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения: сб. трудов II меж-дународной молодежной научн. конф., г. Ростов-на-Дону, 6-10 сентября,2015 : в 2 т. ; ЮФУ. - Ростов-на-Дону : Издательство Южного федерального университета, 2015. - 224 с. - С.65-70
  6. Иваникин И.А. Разработка малогабаритного многоканального высоковольтного генератора для пьезоструктур. – Межвузовская НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского. Материалы конференции. – М. ~: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2016. – С. 215-216.
  7. Титов П.А. Оптимизация моделей пьезонасосов по энергетическим параметрам, аналитическим и численным методами. – Межвузовская НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского. Материалы конференции. – М. ~: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2016. – С. 225-226.
  8. Любченко Р.В. Разработка системы термического соединения пьезоматериалов с металлическими подложками. – Межвузовская НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского. Материалы конференции. – М. ~: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2016. – С. 225-226.


Патенты и авторские свидетельства:

  1. Виноградов А.Н., Матвеев Е.В., Шеламов В.А. Моделирование прецизионного трубчатого пьезопривода./Свид-во о гос.регистр. программы для ЭВМ № 2013611321. – 2013. Правообладатель ФГБНУ «НИИ ПМТ».
  2. Виноградов А.Н., Матвеев Е.В., Юсупов Л.Н. Пьезоэлектрический привод. / Патент РФ на Полезную модель № 162894. Опублик. 27.06.2016. Бюл. №18. Патентообладатель ФГБНУ «НИИ ПМТ».


Научные и учебные достижения, дипломы, грамоты:

  • Инженером-исследователем ФГБНУ "НИИ ПМТ", магистрантом 1 г.о. Титовым П.А. за работу «Исследование воспроизводимости управляющего сигнала пьезокерамикой» (науч. рук., д.ф.-м.н., проф. Бондаренко Г.Г.) на межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов имени Е.В.Арменского 2017 г. получен диплом 3 степени, 2017 г..
  • Инженером-исследователем ФГБНУ "НИИ ПМТ" Иваникиным И.А. подготовлена и защищена магистерская диссертация на тему «Разработка многоканального высоковольтного генератора для управления пьезоприводами», 2017 г.
  • Инженером-исследователем ФГБНУ "НИИ ПМТ" Любченко Р.В. подготовлена и защищена магистерская диссертация Любченко Р.В. на тему «Разработка установки для пайки пьезокерамических элементов к металлическим подложкам», 2017 г.
  • Младшим научным сотрудником ФГБНУ "НИИ ПМТ" Матвеевым Е.В. подготовлена к защите и защищена 28.03.2017 г. под руководством к.т.н., в.н.с. Виноградова А.Н. кандидатская диссертация по теме «Разработка и исследование пьезопреобразователей для устройств прецизионного перемещения в оборудовании и приборах электронной техники» по специальности 05.27.06.При подготовке диссертации использованы результаты прикладных научных исследований, проводимых в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса на 2014-2020 годы" по теме "Разработка линейки прецизионных пьезоэлектрических микронасосов точного дозирования с низким энергопотреблением для перекачки медицинских жидкостей малого объема" (шифр 2014-14-585-0008-006).
  • Сотрудничество
    1. АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха». В ходе совместных исследований (теоретических и экспериментальных) усовершенствованы конструкции узлов лазерного гироскопа. С нашей стороны, на основе теоретических расчетов:
      1. Для термокомпенсациипьезокорректора предложен оригинальный способ крепления пьезопривода, который позволяет значительно снизить управляющие (компенсирующие) напряжения. Кроме этого, предложены другие пути снижения температурных деформаций пьезокорректора
      2. Исследовано напряженно-деформированное состояние оптического резонатора лазерного гироскопа, в ходе которого установлено, что влияния термодеформаций металлических вставок на деформации блока электродов, и далее - на сам корпус оптического резонатора исчезающе малы за счет текучести припоя, на котором фиксируются эти металлические вставки.
    2. АО «Инерциальные технологии "Технокомплекса". С нашей стороны было проведено конечно-элементное исследование динамических характеристик чувствительного элемента пьезоэлектрического акселерометра, определены собственные частоты и формы колебаний.
    3. АО «НИИ "Элпа"», г. Зеленоград (сотрудничество по пьезоэлектрическим материалам и приборам).
    4. НКТБ «Пьезоприбор» Южного федерального университета (сотрудничество по пьезоэлектрическим материалам и приборам).
    5. Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ (сотрудничество по учебным дисциплинам).
    6. Производственная компания «Трибо-Аэро» (силиконовые резины, эластополимеры).
    Наверх
    ФГБНУ «НАУЧНО-ИСЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ»
    Наши контакты:
    8 (499) 283-90-63
    Отдел ИТ ФГБНУ "НИИ ПМТ", 2006-2019.