Prospects for Using Polyimide in Actuators of Mechatronic Microsystems

In this paper, well-known engineering solutions that are used in practice are analyzed in terms of utilizing polyimide in space microsystem devices. Possible applications are classified according to their functional roles. Advantages and disadvantages of using polyimide in modern engineering structures are discussed. Technological methods for forming polyimide layers are considered. The main aim of this study is to analyze and summarize the data about polyimide as a promising material for using in microsystem technologies for space applications. Polyimide possesses good mechanical and dielectric properties and has high coefficient of linear thermal expansion. In microsystem engineering, polyimide layers may find numerous applications. They can be used as dielectric coatings; hardening and protective coatings; thermal deformation layers; molded flexible films; separating layers with conductive interlayer buses; flexible joints and other components in micromechanics and micro-robotics; planarization layers; membranes and films; a supporting base for microelectronic components. Polyimide has high adaptability when used as functional layers in microsystem devices. Modern technologies for forming functional polyimide layers in microsystem engineering allow high-precision manufacturing of adhesion-strong design elements. Polyimide has high mechanical strength and is resistant to various destabilizing factors of space. These properties make polyimide prospective for using in space microrobotic devices. The use of polyimide in outer space is limited by the facts that this material is subject to etching in atomic oxygen in low near-earth orbits and that it is necessary to ensure stable adhesion of polyimide to structural materials of the devices.

полиимид, мембрана, микромеханика, микроэлектромеханическая система, сочленение, торсион, покрытие, пленка, диэлектрик, актюатор, polyimide, membrane, micromechanics, microelectromechanical system, joint, torsion, coating, film, dielectric, actuator

1. Бессонов М. И., Котон М. М., Кудрявцев В. В., Лайус Л. А. Полиимиды - класс термостойких полимеров. Санкт-Петербург: Наука, 1983. 328 с.

2. Панасюк М. И., Новиков Л. С. (ред.) Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Москва: Издательство КДУ, 2007. 1144 с.

3. Матвеев В. В., Никифоров А. П., Скурат В. Е., Чалых А. Е. О механизме возникновения шероховатости поверхности полимерных материалов при анизотропном травлении пучком быстрого атомарного кислорода // Химическая физика. 1998. Т. 17. № 4. С. 120-128.

4. Maluf N., Williams К. An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering. Artech House, Inc. Boston, London, 2004. 304 р.

5. Басовский А. А., Жуков А. А., Анурова Л. В., Харитонов В. А. Способ изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов. Пат. 2411607 РФ, МПК2011 H01L21/329. АО "Российские космические системы". Заяв. 26.11.2009. Опубл. 10.02.2011. Б. И. № 4. 8 с.

6. Корпухин А. С., Козлов Д. В., Смирнов И. П., Жуков А. А., Пешехонцев И. И. Влияние армирования полиимидного слоя одностенными углеродными нанотрубками на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых балок тепловых микроактюаторов // Материаловедение. 2011. № 9. С. 43-46.

7. Ebefors Т. Polyimide V-groove Joints for Three-Dimensional Silicon Transducers. Ph. D. thesis. Royal Institute of Technology. Stockholm. 2000. 144 р.

8. Козлов Д. В., Смирнов И. П. Функциональные возможности универсальных датчиков на основе термомеханических актюаторов // Инновации и инвестиции. 2013. № 5. С. 191-193.

9. Козлов Д. В., Смирнов И. П. Микросистемный емкостной датчик измерения физических величин. Пат. 2541415 РФ, МПК2014 G01D5/24, В81В7/02. АО "Российские космические системы". Заяв. 26.09.2013. Опубл. 10.02.2015. Б. И. № 4. 8 с.

10. Жуков А. А. Физико-технологические основы получения полиимидных структур для микроэлектронных устройств, устройств микромеханики и микросенсорики: дис.. докт. техн. наук. М., 2003.

11. Корпухин А. С., Козлов Д. В., Смирнов И. П., Жуков А. А., Бабаевский П. Г. Влияние условий формирования и толщины слоев на термодеформационные характеристики полиимид-кремниевых упруго-шарнирных балок тепловых актюаторов // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 2. С. 34-40.

12. Веселаго В. Г., Жуков А. А., Корпухин А. С., Капустин А. В., Лаврищев В. П. Способ изготовления метаматериала (варианты). Пат. 2522694 РФ, МПК2014 H01Q1/38. АО "Российские космические системы". Заяв. 07.09.2012. Опубл. 20.07.2014. Б. И. № 20. 13 с.

13. Datta M., Osaka T., Schultze J. W. (Eds.). Microelectronic Packaging. CRC Press, Boca Raton, 2005. 564 р.

14. Козлов Д. В., Смирнов И. П., Жуков А. А., Чащухин В. Г., Градецкий В. Г., Болотник Н. Н. Микросистемный космический робот-инспектор (варианты). Пат. 2566454 РФ МПК2015 B25J 11/00, B64G 4/00. АО "Российские космические системы". Заяв. 11.03.2014. Опубл. 27.10.2015. Б. И. № 30. 19 с.

15. Смирнов И. П., Козлов Д. В., Корпухин А. С., Жуков А. А. Микросистемное устройство управления поверхностью для крепления малогабаритной антенны Пат. 2456720 РФ, МПК2012 H01Q 1/28. АО "Российские космические системы". Заяв. 11.03.2011. Опубл. 20.07.2012. Б. И. № 20. 15 с.

16. Erdem E. Y., Chen Y. M., Mohebbi M., Darling R. B., Böhringer K. F., Suh J. W., Kovacs G. T. A. Thermally Actuated Omnidirectional Walking Microrobot // Journal of Microelectromechanical Systems. 2010. No. 19 (3). P. 433-442.

17. Kälvesten E., Ebefors T., Mattsson J. U., Stemme G. A walking silicon micro-robot // The 10th Int Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers'99), Sendai, Japan, 1999. P. 1202-1205.

18. Смирнов И. П., Жуков А. А., Козлов Д. В., Корпухин А. С., Бабаевский П. Г. Тепловой микромеханический актюатор и способ его изготовления. Пат. 2448896 РФ, МПК2012 В81В 3/00, В81С 1/00, В81В 7/00. АО "Российские космические системы". Заяв. 25.03.2012; Опубл. 27.04.2012, Б. И. № 12.20 с.

19. Khandpur R. S. Printed circuit boards: design, fabrication and assembly. Tata McGraw-Hill Education. New Delhi, 2005. 704 p.