Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем (2020)
В работе предложен новый обобщенный подход обобщенного физико-математического и компьютерного моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС), как сложных динамических систем с бинарно-сопряженными подсистемами. На базе предложенных теоретических принципов и моделей рассматриваются возможности исследования электрофизических характеристик биологических наноструктур. Рассматриваются некоторые узловые вопросы перспективного развития МЭМС и НЭМС, если в структурах их функциональных элементов возбуждения имеются активные наноструктурированные материалы дуального назначения, в которых при отсутствии внешних электромагнитных полей наблюдаются и намагниченность, и электрическая поляризация, так называемые сегнетоэлектромагнетики.
The paper proposed a new generalized approach to generalized physical-mathematical and computer modeling of the dynamic and energy characteristics of MEMS and NEMS as complex dynamic systems with binary-conjugate subsystems. The possibilities of studying the electrophysical characteristics of biological nanostructures are considered on the basis of the proposed theoretical principles and models.
Some nodes of the prospective development of MEMS and NEMS are considered, if the involved dual-purpose materials are excited in the structures of their functional elements, in which in the absence of external electromagnetic fields, both magnetization and electric polarization, the socalled ferroelectromagnets, are observed.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- eLIBRARY ID
- 44494077
Более глубокое исследование разработанных теоретических принципов и их применение в задачах физико-математического и компьютерного моделирования динамических и энергетических характеристик МЭМС и НЭМС, задача отдельных научных исследований и будет рассматриваться в других работах.
Список литературы
- Гандилян С. В. // Нано- и микросистемная техника. 2015. Т. 181. № 8. С. 15.
- Гандилян С. В., Гандилян Д. В. // Журнал технической физики. 2019. Т. 89. № 7. С. 975.
- Гандилян С. В., Поддаева О. И., Панфилова М. И., Новоселова О. В. // Успехи прикладной физики. 2020. Т. 8. № 2. С. 124.
- Караян Г. С., Гандилян С. В., Гандилян В. В. // Электричество. 2013.№ 3.С.2.
- Алферов Ж. И., Асеев А. Л., Гапонов С. В., Копьев П. С., Панов В. И., Полторацкий Э. А., Сибельдин Н. Н., Сирус Р. А. // Микросистемная техника. 2005. № 8. С. 3.
- Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития / под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса, П. Аливисатоса / Пер. с англ. – М.: Мир, 2002.
- Нанобиотехнология биомиметических мембран / под. ред. Дональд К. Мартин. – М.: Научный мир, 2012.
- Сарычев А. Г., Шалаев В. М. Электродинамика метаматериалов. – М.: Научный мир, 2011.
- Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. – М.: Техносфера, 2004.
- Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004.
- Lew H. S. // Biomechanics. 1972. Vol. 5. № 4. Р. 126.
- Минкин В. И. // Российский химический журнал. 2004. Т. 44. № 6. С. 3.
- Knobel R., Cleland A. // Nature. 2003. Vol. 424. Р. 291.
- Харрис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры: Новые материалы XXI века. – М.: Техносфера, 2003.
- Нано- и макросистемная техника: от исследований к разработкам / под ред. П. П. Мальцева. – М.: Техносфера, 2005.
- Паун Г., Розенберг Г., Салома А. ДНК-компьютер. – М.: Мир, 2004.
- Татаренко Н. И., Кравченко В. Ф. Автоэмиссионные нанострутуры и приборы на их основе. – М.: Физматлит, 2006.
- Лукашин А. В., Елисеев А. А. Применение функциональных наноматериалов (МЭМС, НЭМС, наноэлектроника). – М.: Изд-во МГУ им. Ломоносова, 2007.
- Пул Ч. Мир материалов и технологий (Нанотехнологии). – М.: Техносфера, 2004.
- Kocherginsky N. M., Moshkovsky Y. S., Osak I. S., Piruzian L. A. The model of biological membrane for the investigation of biologically ac-tive compounds. 1983. USSR Patent # 1043564.
- Уайт Д. С., Вудсон Г. Х. Электомеханическое преобразование энергии. – М.-Л.: Энергия, 1964.
- Иосифьян А. Г. // Электричество. 1987. № 12. С. 26; 1989. № 9. С. 19.
- Копылов И. П., Гандилян С. В., Гандилян В. В. // Электротехника. 1998. № 9. С. 25.
- Serafi A. M., Kar N. C. // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2005. Vol. 20. № 1. Р. 197.
- Sobczyk T. J. // Archives of Electrical Engineering. 2011. Vol. 60. № 1. Р. 142.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1992.
- Фейман Р., Лейстон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т. 6. – М.: Эдиториал УРСС, 2004.
- Сидняев Н. И., Вилисова Н. Т. Введение в теорию планирования эксперимента. – М.: Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2011.
- Копылов И. П. Математическое моделирование электромеханических преобразователей энергии. – М.: Высшая школа, 2001.
- Яфаров Р. К. Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий. – М.: Физматлит, 2009.
- Lamoreaux S. K. // Phys. Rev. Lett. 1997. Vol. 78. № 1. Р. 186.
- Вшивков С. А. Фазовые и структурные переходы жидкокристаллических наносистем. – М.: Высшая школа, 2012.
- Кадомцев В. В. / УФН. 1987. Т. 151. С. 172.
- Криогенные электрические машины / под ред. Н. Н. Шереметьевского. – М.: Энергоатомиздат, 1985.
- Воронов В. К., Подоплелов А. В., Сагдеев Р. З. Физические основы нанотехнологии. – М.: Изд-во URSS, 2010.
- Чечнин Н. Г. Магнитные наноструктуры и их применение. – М.: Изд-во Грант Виктория ТК, 2006.
- Фраерман А. А. // УФН. 2012. Т. 182. № 12. С. 345.
- Пятаков А. П., Звездин А. К. // УФН. 2012. Т. 182. № 12. С. 593.
- Ulrich A. S. // Bioscience Reports. 2002. Vol. 22. № 2. Р. 328.
- Стишков С. М. // УФН. 2004. Т. 171. № 8. С. 853.
- S. V. Gandilyan, Nano- i mikrosistemnaja tehnika 181 (8), 15 (2015) [in Russian].
- S. V. Gandilyan and D. V. Gandilyan, Journal of Applied Physics 89 (7), 975 (2019) [in Russian].
- S. V. Gandilyan, O. I. Poddaeva, M. I. Panfilova, and O. V. Novoselova, Usp. Prikl. Fiz. 8 (2), 124 (2020) [in Russian].
- G. S. Karayan, S. V. Gandilyan, and V. V. Gan-dilyan, Jelektrichestvo, No. 3, 2 (2013) [in Russian].
- Zh. I. Alferov, A. L. Aseev, S. V. Gaponov, P. S. Kop’ev, V. I. Panov, Je. A. Poltorackij, N. N. Sibel’din, R. A. Sirus, Microsystems Technology, No. 8, 3 (2005) [in Russian].
- Nanotehnologija v blizhajshem desjatiletii. Prognoz napravlenija razvitija [Nanotechnology in the next decade. Development direction forecast], Edited by M. K. Roko, R. S. Uil’jams i P. Alivisa-tos: Trans. (Mir, Moscow, 2002) [in Russian].
- Nanobiotehnologija biomimeticheskih membran [Nanobiotechnology of biomimetic membranes], Edited by Donal’d K. Martin (Nauchnyj mir, Moscow, 2012) [in Russian].
- A. G. Sarychev and V. M. Shalaev, Jelektrodinamika metamaterialov [Electrodynamics of metamaterials] (Nauchnyj mir, Moscow, 2011) [in Russian].
- V. Varadan, K. Vinoj, and K. Dzhoze, VCh MJeMS i ih primenenie [RF MEMS and their applications] (Tehnosfera, Moscow, 2004) [in Russian].
- Ch. Pul and F. Oujens, Nanotehnologii (Tehnosfera, Moscow, 2004) [in Russian].
- H. S. Lew, Biomechanics 5 (4), 126 (1972).
- V. I. Minkin, Russian Journal of General Chemistry 44 (6), 3 (2004) [in Russian].
- R. Knobel and A. Cleland, Nature 424, 291 (2003).
- P. Harris, Uglerodnye nanotrubki i rodstvennye struktury: Novye materialy XXI veka [Carbon Nanotubes and Related Structures: New Materials of the 21th Century] (Tehnosfera, Moscow, 2003) [in Russian].
- Nano- i makrosistemnaja tehnika: ot issledovanij k razrabotkam [Nano- and macrosystem technology: from research to development] Edited by.
P. P. Mal’ceva (Tehnosfera, Moscow, 2005) [in Russian]. - G. Paun, G. Rozenberg, and A. Saloma, DNK-komp’juter [DNA computer] (Mir, Moscow, 2004) [in Russian].
- N. I. Tatarenko and V. F. Kravchenko, Avtojemissionnye nanostrutury i pribory na ih osnove [Field emission nanostructures and devices based on them] (Fizmatlit, Moscow, 2006) [in Russian].
- A. V. Lukashin and A. A. Eliseev, Primenenie funkcional’nyh nanomaterialov (MJeMS, NJeMS, nanojelektronika) [Application of functional nanomaterials (MEMS, NEMS, nanoelectronics)] (Izd. MSU, Moscow, 2007) [in Russian].
- Ch. Pul, Mir materialov i tehnologij (Nanotehnologii) [World of Materials and Technologies (Nanotechnology)] (Tehnosfera, Moscow, 2004) [in Russian].
- N. M. Kocherginsky, Y. S. Moshkovsky, I. S. Osak, and L. A. Piruzian, The model of biological membrane for the investigation of biologically active compounds. 1983. USSR Patent # 1043564.
- D. S. Uajt and G. H. Vudson, Jelektome-hanicheskoe preobrazovanie jenergii [Electrome-chanical energy conversion] (Jenergija, Moscow-Leningrad, 1964) [in Russian].
- A. G. Iosifyan, Jelektrichestvo, No. 12, 26 (1987); No. 9, 19 (1989) [in Russian].
- I. P. Kopylov, S. V. Gandilyan, and V. V. Gandilyan, Jelektrotehnika, No. 9, 25 (1998) [in Russian].
- A. M. Serafi and N. C. Kar, IEEE Transactions on Energy Conversion 20 (1), 197 (2005).
- T. J. Sobczyk, Archives of Electrical Engineering 60 (1), 142 (2011).
- L. D. Landau and E. M. Lifshic, Jelektrodinamika sploshnyh sred [Continuous media electrodynamics] (Nauka, Moscow, 1992) [in Russian].
- R. Fejman, R. Lejston, and M. Sjends, Fejmanovskie lekcii po fizike [Feyman lectures in physics]. Vol. 6. (Jeditorial URSS, Moscow, 2004) [in Russian].
- N. I. Sidnjaev and N. T. Vilisova, Vvedenie v teoriju planirovanija jeksperimenta [Introduction to Experiment Design Theory] (Izd. BMSTU, Moscow, 2011) [in Russian].
- I. P. Kopylov, Matematicheskoe mod-elirovanie jelektromehanicheskih preobrazovatelej jenergii [Mathematical modeling of electrome-chanical energy converters] (Vysshaja shkola, Moscow, 2001) [in Russian].
- R. K. Jafarov, Fizika SVCh vakuumno-plazmennyh nanotehnologij [Physics of microwave vacuum-plasma nanotechnology] (Fizmatlit, Moscow, 2009) [in Russian].
- S. K. Lamoreaux, Phys. Rev. Lett. 78 (1), 186 (1997).
- S. A. Vshivkov, Fazovye i strukturnye perehody zhidkokristallicheskih nanosistem [Phase and structural transitions of liquid crystal nanosystems] (Vysshaja shkola, Moscow, 2012) [in Russian].
- V. V. Kadomcev, UFN 151, 172 (1987) [in Russian].
- Kriogennye jelektricheskie mashiny [Cryogenic electrical machines], Edited by N. N. Sheremet’evskogo (Jenergo-atomizdat, Moscow, 1985) [in Russian].
- V. K. Voronov, A. V. Podoplelov, and R. Z Sagdeev, Fizicheskie osnovy nanotehnologii [Physical foundations of nanotechnology] (Izd. URSS, Mos-cow, 2010) [in Russian].
- N. G. Chechnin, Magnitnye nanostruktury i ih primenenie [Magnetic nanostructures and their applications] (Izd. Grant Viktorija TK, Moscow, 2006) [in Russian].
- A. A. Fraerman, UFN 182 (12), 345 (2012) [in Russian].
- A. P. Pjatakov and A. K. Zvezdin, UFN 182 (12), 593 (2012) [in Russian].
- A. S. Ulrich, Bioscience Reports 22 (2), 328 (2002).
- S. M. Stishkov, UFN 171 (8), 853 (2004) [in Russian].
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Иодис В. А.
Визуальные исследования процесса конденсации паров воды, этанола, хладогентов в охлаждаемых кремниевых и металлических микро- и миниканалах (обзор) 401
Воронов К. Е., Телегин А. М., Сухачев К. И., Калаев М. П.
Формы наведенного импульса в датчике микрометеороидов и частиц космического мусора 411
Гандилян С. В., Гандилян Д. В.
Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования динамических и энергетических характеристик микро- и наноэлектромеханических систем 419
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Кирий Н. П., Савинов С. А.
Спектроскопическое исследование тангенциального ускорения и нагрева плазмы токовых слоев, сформированных при разряде в криптоне 436
Фролова Ю. Л., Надирадзе А. Б., Ловцов А. С., Томилин Д. А.
Методика переноса результатов наземных измерений параметров струи стационарного плазменного двигателя на условия эксплуатации в космосе 454
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Асаёнок М. А., Зеневич А. О., Новиков Е. В., Кочергина О. В., Лагутик А. А.
Реализация режима счета фотонов матричными многоэлементными лавинными фотоприемниками видимого и ближнего инфракрасного диапазонов 464
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Кузнецов П. А., Мощев И. С.
Исследование матричного фотоприемного модуля SWIR диапазона в дальномерном режиме 472
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
V. A. Iodis
Visual studies of the condensation process of water vapor, ethanol, and refrigerants in cooled silicon and metal micro- and minicannels (a review) 401
K. E. Voronov, A. M. Telegin, K. I. Sukhachev, and M. P. Kalaev
Investigation of the shape of the induced pulse from the sensor of micrometeoroids and particles of space debris of ionization type with plate electrodes 411
S. V. Gandilyan and D. V. Gandilyan
Some issues of generalized physical and mathematical modeling of dynamic and energy characteristics of micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS) 419
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
N. P. Kyrie and S. A. Savinov
Spectroscopic studies of the tangential acceleration and plasma heating of current sheets formed during a discharge in krypton 436
Y. L. Frolova, A. B. Nadiradze, A. S. Lovtsov, and D. A. Tomilin
Method of transferring the results of ground measurements of the plume parameters of a stationary plasma thruster to the conditions of full-scale operation 454
PHOTOELECTRONICS
M. A. Asayonok, A. O. Zenevich, E. V. Novikov, O. V. Kocherhina, and A. А. Lahutsik
Implementation of the photon counting mode by array multielement avalanche photodetectors 464
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
P. A. Kuznetsov and I. S. Moschev
Study of the SWIR range photodetector array module in rangefinder mode 472
Другие статьи выпуска
Представлен первый отечественный матричный фотоприемный модуль (ФПМ) SWIR диапазона для активно-импульсных формирователей изображения. В состав ФПМ входит матрица p–i–n фотодиодов на основе гетеро-структуры InGaAs/InP формата 320256 с шагом 30 мкм; большая интегральная схема считывания фотосигналов; термоэлектрический охладитель и герметичный корпус с сапфировым окном. Основной особенностью ФПМ является возможность функционирования в 3-х режимах: пассивный 2D, активно-импульсный 3D (дальномерный), асинхронный бинарный. Гибкое сочетание указанных режимов позволяет получить максимум информации о наблюдаемых объектах. Информация о дальности, формируемая в каждом пикселе ФПМ, в совокупности с яркостными сигналами, позволяет осуществить синтез 3D-изображений объектов. В работе представлены результаты исследования ФПМ, работающего в активно-импульсном 3D (дальномерном) режиме. Приводятся результаты эксперимента по созданию эффекта 3D-изображения, подтверждающие возможность ФПМ детектировать с высоким разрешением разноноудаленные объекты.
Подходы к реализации режима счета фотонов, используемые для одноэлементных лавинных фотоприемников, не в полной мере применимы к матричным многоэлементным лавинным фотоприемникам, таким как кремниевые фотоэлектронные умножители. Поэтому в статье рассмотрены особенности реализации режима счета фотонов применительно к этим фотоприемникам. Показана возможность работы в рассматриваемом режиме серийно выпускаемых кремниевых фотоэлектронных умножителей Кетек РМ 3325 и ON Semi FC 30035, а также умножителей из опытной партии, произведенной ОАО «Интеграл» (Республика Беларусь). Определены важные для реализации данного режима характеристики этих кремниевых фотоэлектронных умножителей, в частности, удельный коэффициент амплитудной чувствительности и зависимость отношения сигнал/шум от величины напряжения их питания.
Представлена методика экстраполяции угловых и энергетических характеристик ионов струи СПД, полученных в условиях стенда, на натурные условия эксплуатации. Исходными данными для экстраполяции являлись тормозные характеристики зондов-энергоанализаторов, измеренные при различных значениях давления фонового газа в вакуумной камере. Для получения достоверного результата из тормозных характеристик были исключены ионы перезарядки, образующиеся в результате взаимодействия ионов струи с частицами фонового газа, и учтено ослабление потока ионов за счет перезарядки. Полученные угловые зависимости откалиброваны по тяге. После этого зависимости плотности тока от давления при фиксированных значениях угла вылета ионов аппроксимировались полиномом второй степени. В качестве искомого значения плотности тока принималось значение аппроксимирующей функции в точке нулевого давления. В результате были получены угловые и энергетические характеристики ионов струи СПД, реализуемые в натурных условиях эксплуатации.
Определены температуры однозарядных и двухзарядных ионов криптона, а также электронов в зависимости от времени в токовых слоях, сформированных в 2D и 3D магнитных конфигурациях с X линией. Установлено, что максимальная температура ионов криптона более чем на порядок превышает максимальную температуру электронов, обе температуры характеризуются разной зависимостью от времени и величины продольного магнитного поля. Обнаружены быстрые, сверхтепловые потоки плазмы, направленные вдоль наибольшего из поперечных размеров токового слоя - ширины слоя, от центра слоя к периферии. Показано, что тангенциальное ускорение крипто-новой плазмы происходит под действием сил Ампера. Измеренные значения энергии ускоренных ионов криптона согласуются с оценками сил Ампера, выполненными на основе независимых магнитных измерений.
В статье приведено краткое описание датчика микрометеороидов и частиц космического мусора ионизационного принципа действия. Предложен алгоритм определения формы наведенного импульса на основе теоремы Рамо-Шокли, возникающего на измерительных электродах при пролете заряженных микрочастиц в зависимости от траектории их полета. Показано как определить наклон пролета микрочастицы при ее движении через электроды в виде пластин.
В статье представлен обзор работ, посвященных визуальным исследованиям процесса конденсации паров воды или смеси паров воды и этанола в горизонтальных микроканалах. Микроканалы могли иметь разную форму: трапециевидную, треугольную, прямоугольную и квадратную. В исследованиях визуально наблюдались основные структуры потока, а именно: кольцевая, инжекционная, снарядная и пузырьковая. Отмечены также разновидности перечисленных структур потоков, в частности, полосово-кольцевая, гладкая кольцевая, эмульсионная, эмульсионно-кольцевая и вытянуто-пузырьковая. Приведены также результаты наблюдений конденсации потоков хладагентов HFE-7100, R134a и R1234ze(E). Выявлены схожие картины структур потока при различных соотношениях эффектов поверхностного натяжения и гравитационного воздействия. Продемонстрирована необходимость изучения структур потоков в микроканалах различной формы, вертикально и наклонно ориентированных к горизонту.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400