Microsystems Electromechanics: the Current State and Prospects for Further Development
Keywords:
microsystem electromechanics, nanoelectromechanics, MEMS and NEMS, molecular assembly, nuclear assembly
Abstract
The current state of the electromechanical science is briefly reviewed, and the prospective application fields of the newest achievements in the nanotechnology are considered in the areas the scientific-technical progress in which is based on a comprehensive use of electromechanical energy converters. The current state of the microsystems electromechanics–-an entirely new branch of science–-is considered. A wide range of its practical applications and the prospects for its further development are discussed. Microminiature electromechanical converter systems (MEMS) and nanoelectromechanical energy conversion systems (NEMS) are the basic subjects studied in the microsystems electromechanics. Two basic ways of constructing micro- and nanoelectromechanical energy converters as the basic elements of MEMS and NEMS are described in detail. The main technological methods for constructing the basic functional elements of microsystems electromechanics are described, and their application fields in the traditional and new engineering (information and computer technology, medicine, aerospace systems, ordnance systems, etc.) are outlined.
References
1. Иосифьян А.Г. Вопросы электромеханики. М.: Энергия, 1975.
2. Иосифьян А.Г. Электромеханика в космосе. М.: Знание, 1977.
3. Копылов И.П. Куда идет электромеханика // Электротехника. 2007. № 12. С. 50—55.
4. Бертинов А.И. и др. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии. М.: Энергоатомиздат, 1993.
5. Копылов И.П., Гандилян С.В., Гандилян В.В. Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования электромеханических преобразователей энергии // Электротехника. 1998. № 9. С. 25—40.
6. Осин И.Л., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
7. Гандилян С.В., Гандилян В.В. Некоторые проблемы создания микроминиатюрных электромеханических преобразователей энергии // Электричество. 1999. № 3. С.43—46.
8. Копылов И.П. Электрические машины. Т. 1, 2. М.: Юрайт, 2015.
9. Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005.
10. Gallacher B.J., Burdess J.S., Harris A.J., Mc- Nie M.E. The Desing and Fabrication of a Multi Axis Vibrating Ring Gyroscope // Proc. Symp. Gyro Techn. Stuttgart, 2001. Pp. 10—20.
11. Muralt P. Micromachined Infrared Detectors Based on Pyroelectric Thin Films // Rep. on Progress in Phys. 2001. V. 64. Pp. 1339—1388.
12. Алферов Ж.И. и др. Наноматериалы и нано- технологии // Микросистемная техника. 2005. № 8. С. 3—13.
13. Губин С.П., Ткачев С.В. Графен и родственные наноформы углерода. М.: URSS, 2012.
14. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005.
15. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития / под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливисатоса. М.:Мир, 2002.
16. Lew H.S. Electro-Tension and Torgue in Biological Membranec Modelled as a Dipole Sheet // Fluid Conductors. Biomechanics. 1972. V. 5. Nо. 4. Pp. 126—132.
17. Гандилян С.В., Гандилян У.В. Обобщенное электромеханическое моделирование биоэнергетических систем // Электротехника. 1996. № 6. С. 53—56.
18. Нанобиотехнология биомиметическая мембран / под ред. Д.К. Мартина. М.: Научный мир. 2012.
19. Григорьев В.И., Григорьева Е.В. Бароэлектрический эффект и электромагнитные поля планеты и звезд. М.: Физматлит, 2003.
20. Гандилян С.В., Гандилян У.В. Совмещенные индуктивно-емкостные электрические машины // Известия РАН. Сер. «Энергетика и транспорт». 1993. № 2. С. 50—62.
21. Лапцевич А.А., Гречихин Л.И., Куць Н.Г. Энергетическая база беспилотных летательных аппаратов // Известия высш. учеб. заведений. Сер. «Энергетика». 2010. № 1. С. 64—78.
22. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182. С. 539—620.
23. Турков В.Е., Жукова С.А., Рискин Д.Д. Реактивные микродвигатели, изготавливаемые по технологии МСТ // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 12. С. 7—21.
24. Karayn H.S. Gandilayn S.V. Several Issues of Generalized Physical and Mathematical Modeling of Micro- and Nano-Electromechanical Systems (MEMS and NEMS) // Armenian J. Phys. 2016. V. 9 (3). Pp. 244—259.
25. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М. Основы нанотехнологии в технике. М.: Академия, 2009.
26. Альтман Ю. Военные нанотехнологии: возможности применения и превентивного контроля вооружений. М.: Техносфера, 2006.
27. Гандилян С.В. Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования микро- и наноэлектромеханических систем // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 8. С. 15—32.
28. Харис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Тех- носфера, 2003.
29. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства // УФН. 2002. Т. 172. № 4. С. 401—438.
30. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / под ред. М. Роко, П. Аливистоса. М.: Мир, 2002.
---
Для цитирования: Караян Г.С., Гандилян С.В., Гандилян В.В. Современное состояние и перспективы развития микросистемной электромеханики // Вестник МЭИ. 2017. № 5. С. 63—70. DOI: 10.24160/1993-6982-2017-5-63-70.
#
1. Iosif'yan A.G. Voprosy Elektromekhaniki. M.: Energiya, 1975. (in Russian).
2. Iosif'yan A.G. Elektromekhanika v Kosmose. M.: Znanie, 1977. (in Russian).
3. Kopylov I.P. Kuda Idet Elektromekhanika. Elektrotekhnika. 2007;12:50—55. (in Russian).
4. Bertinov A.I. i dr. Spetsial'nye Elektriches- Kie Mashiny. Istochniki i Preobrazovateli Energii. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
5. Kopylov I.P., Gandilyan S.V., Gandilyan V.V. Nekotorye Voprosy Obobshchennogo Fiziko-Matematicheskogo Modelirovaniya Elektromekhanicheskih Preob- razovateley Energii. Elektrotekhnika. 1998;9:25—40. (in Russian).
6. Osin I.L., Yuferov F.M. Elektricheskie Mashiny Avtomaticheskih Ustroystv. M.: Izd-vo MPEI, 2003. (in Russian).
7. Gandilyan S.V., Gandilyan V.V. Nekotorye Proble- my Sozdaniya Mikrominiatyurnyh Elektromekhanicheskih Preobrazovateley Energii. Elektrichestvo. 1999;3:43—46. (in Russian).
8. Kopylov I.P. Elektricheskie mashiny. T. 1, 2. M.: Yurayt, 2015. (in Russian).
9. Nanotekhnologii v Elektronike / Pod Red. Yu.A. Chap- lygina. M.: Tekhnosfera, 2005. (in Russian).
10. Gallacher B.J., Burdess J.S., Harris A.J., Mc- Nie M.E. The Desing and Fabrication of a Multi Axis Vibrating Ring Gyroscope. Proc. Symp. Gyro Techn. Stuttgart, 2001:10—20.
11. Muralt P. Micromachined Infrared Detectors Based on Pyroelectric Thin Films. Rep. on Progress in Phys. 2001;64:1339—1388.
12. Alferov Zh.I. i dr. Nanomaterialy i Nanotekhnologii. Mikrosistemnaya Tekhnika. 2005;8:3—13. (in Russian).
13. Gubin S.P., Tkachev S.V. Grafen i Rodstvennye
Nanoformy Ugleroda. M.: URSS, 2012. (in Russian).
14. Andrievskiy R.A., Ragulya A.V. Nanostrukturnye
Materialy. M.: Akademiya, 2005. (in Russian).
15. Nanotekhnologiya v Blizhayshem Desyatiletii. Prognoz Napravleniya Razvitiya / Pod Red. M.K. Roko, R.S. Uil'yamsa, P. Alivisatosa. M.:Mir, 2002. (in Russian).
16. Lew H.S. Electro-Tension and Torgue in Biological Membranec Modelled as a Dipole Sheet. Fluid Conductors. Biomechanics. 1972;5;4:126—132.
17. Gandilyan S.V., Gandilyan U.V. Obobshchennoe Elektromekhanicheskoe Modelirovanie Bioenergetiches- kih Sistem. Elektrotekhnika. 1996;6:53—56. (in Russian).
18. Nanobiotekhnologiya Biomimeticheskaya Memb- Ran / Pod Red. D.K. Martina. M.: Nauchnyy Mir. 2012. (in Russian).
19. Grigor'ev V.I., Grigor'eva E.V. Baroelektriches- kiy Effekt i Elektromagnitnye Polya Planety i Zvezd. M.: Fizmatlit, 2003. (in Russian).
20. Gandilyan S.V., Gandilyan U.V. Sovmeshchennye Induktivno-emkostnye Elektricheskie Mashiny. Izvestiya RAN. Ser. «Energetika i Transport». 1993;2:50—62. (in Russian).
21. Laptsevich A.A., Grechihin L.I., Kuts' N.G. Energeticheskaya baza Bespilotnyh Letatel'nyh Apparatov. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Ser. «Energetika». 2010;1:64—78. (in Russian).
22. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnitoelektriches- kie Materialy i Mul'tiferroiki. UFN. 2012;182:539—620. (in Russian).
23. Turkov V.E., Zhukova S.A., Riskin D.D. Reaktivnye Mikrodvigateli, Izgotavlivaemye po Tekhno- logii MST. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika. 2014;12: 7—21. (in Russian).
24. Karayn H.S. Gandilayn S.V. Several Issues of Generalized Physical and Mathematical Modeling of Micro- and Nano-Electromechanical Systems (MEMS and NEMS). Armenian J. Phys. 2016;9 (3):244—259.
25. Kovshov A.N., Nazarov YU.F., Ibragimov I.M. Osnovy Nanotekhnologii v Tekhnike. M.: Akademiya, 2009. (in Russian).
26. Al'tman Yu. Voennye Nanotekhnologii: Vozmozhnosti Primeneniya i Preventivnogo Kontrolya Vooruzheniy. M.: Tekhnosfera, 2006. (in Russian).
27. Gandilyan S.V. Nekotorye Voprosy Obob- shchennogo Fiziko-matematicheskogo Modelirovaniya Mikro- i Nanoelektromekhanicheskih Sistem. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika. 2015;8:15—32. (in Russian).
28. Haris P. Uglerodnye Nanotrubki i Rodstvennye Struktury. Novye Materialy XXI Veka. M.: Tekhnosfera, 2003. (in Russian).
29. Eletskiy A.V. Uglerodnye Nanotrubki i ih Emissionnye Svoystva. UFN. 2002;172;4:401—438.
30. Nanotekhnologiya v Blizhayshem Desyatiletii. Prognoz Napravleniya Issledovaniy / Pod Red. M. Roko, P. Alivistosa. M.: Mir, 2002. (in Russian).
---
For citation: Karayan G.S., Gandilyan S.V., Gandilyan V.V. Microsystems Electromechanics: the Current State and Prospects for Further Development. MPEI Vestnik. 2017; 5: 63—70. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2017-5-63-70.
2. Иосифьян А.Г. Электромеханика в космосе. М.: Знание, 1977.
3. Копылов И.П. Куда идет электромеханика // Электротехника. 2007. № 12. С. 50—55.
4. Бертинов А.И. и др. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии. М.: Энергоатомиздат, 1993.
5. Копылов И.П., Гандилян С.В., Гандилян В.В. Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования электромеханических преобразователей энергии // Электротехника. 1998. № 9. С. 25—40.
6. Осин И.Л., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
7. Гандилян С.В., Гандилян В.В. Некоторые проблемы создания микроминиатюрных электромеханических преобразователей энергии // Электричество. 1999. № 3. С.43—46.
8. Копылов И.П. Электрические машины. Т. 1, 2. М.: Юрайт, 2015.
9. Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005.
10. Gallacher B.J., Burdess J.S., Harris A.J., Mc- Nie M.E. The Desing and Fabrication of a Multi Axis Vibrating Ring Gyroscope // Proc. Symp. Gyro Techn. Stuttgart, 2001. Pp. 10—20.
11. Muralt P. Micromachined Infrared Detectors Based on Pyroelectric Thin Films // Rep. on Progress in Phys. 2001. V. 64. Pp. 1339—1388.
12. Алферов Ж.И. и др. Наноматериалы и нано- технологии // Микросистемная техника. 2005. № 8. С. 3—13.
13. Губин С.П., Ткачев С.В. Графен и родственные наноформы углерода. М.: URSS, 2012.
14. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005.
15. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития / под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливисатоса. М.:Мир, 2002.
16. Lew H.S. Electro-Tension and Torgue in Biological Membranec Modelled as a Dipole Sheet // Fluid Conductors. Biomechanics. 1972. V. 5. Nо. 4. Pp. 126—132.
17. Гандилян С.В., Гандилян У.В. Обобщенное электромеханическое моделирование биоэнергетических систем // Электротехника. 1996. № 6. С. 53—56.
18. Нанобиотехнология биомиметическая мембран / под ред. Д.К. Мартина. М.: Научный мир. 2012.
19. Григорьев В.И., Григорьева Е.В. Бароэлектрический эффект и электромагнитные поля планеты и звезд. М.: Физматлит, 2003.
20. Гандилян С.В., Гандилян У.В. Совмещенные индуктивно-емкостные электрические машины // Известия РАН. Сер. «Энергетика и транспорт». 1993. № 2. С. 50—62.
21. Лапцевич А.А., Гречихин Л.И., Куць Н.Г. Энергетическая база беспилотных летательных аппаратов // Известия высш. учеб. заведений. Сер. «Энергетика». 2010. № 1. С. 64—78.
22. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182. С. 539—620.
23. Турков В.Е., Жукова С.А., Рискин Д.Д. Реактивные микродвигатели, изготавливаемые по технологии МСТ // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 12. С. 7—21.
24. Karayn H.S. Gandilayn S.V. Several Issues of Generalized Physical and Mathematical Modeling of Micro- and Nano-Electromechanical Systems (MEMS and NEMS) // Armenian J. Phys. 2016. V. 9 (3). Pp. 244—259.
25. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М. Основы нанотехнологии в технике. М.: Академия, 2009.
26. Альтман Ю. Военные нанотехнологии: возможности применения и превентивного контроля вооружений. М.: Техносфера, 2006.
27. Гандилян С.В. Некоторые вопросы обобщенного физико-математического моделирования микро- и наноэлектромеханических систем // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 8. С. 15—32.
28. Харис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Тех- носфера, 2003.
29. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства // УФН. 2002. Т. 172. № 4. С. 401—438.
30. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / под ред. М. Роко, П. Аливистоса. М.: Мир, 2002.
---
Для цитирования: Караян Г.С., Гандилян С.В., Гандилян В.В. Современное состояние и перспективы развития микросистемной электромеханики // Вестник МЭИ. 2017. № 5. С. 63—70. DOI: 10.24160/1993-6982-2017-5-63-70.
#
1. Iosif'yan A.G. Voprosy Elektromekhaniki. M.: Energiya, 1975. (in Russian).
2. Iosif'yan A.G. Elektromekhanika v Kosmose. M.: Znanie, 1977. (in Russian).
3. Kopylov I.P. Kuda Idet Elektromekhanika. Elektrotekhnika. 2007;12:50—55. (in Russian).
4. Bertinov A.I. i dr. Spetsial'nye Elektriches- Kie Mashiny. Istochniki i Preobrazovateli Energii. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
5. Kopylov I.P., Gandilyan S.V., Gandilyan V.V. Nekotorye Voprosy Obobshchennogo Fiziko-Matematicheskogo Modelirovaniya Elektromekhanicheskih Preob- razovateley Energii. Elektrotekhnika. 1998;9:25—40. (in Russian).
6. Osin I.L., Yuferov F.M. Elektricheskie Mashiny Avtomaticheskih Ustroystv. M.: Izd-vo MPEI, 2003. (in Russian).
7. Gandilyan S.V., Gandilyan V.V. Nekotorye Proble- my Sozdaniya Mikrominiatyurnyh Elektromekhanicheskih Preobrazovateley Energii. Elektrichestvo. 1999;3:43—46. (in Russian).
8. Kopylov I.P. Elektricheskie mashiny. T. 1, 2. M.: Yurayt, 2015. (in Russian).
9. Nanotekhnologii v Elektronike / Pod Red. Yu.A. Chap- lygina. M.: Tekhnosfera, 2005. (in Russian).
10. Gallacher B.J., Burdess J.S., Harris A.J., Mc- Nie M.E. The Desing and Fabrication of a Multi Axis Vibrating Ring Gyroscope. Proc. Symp. Gyro Techn. Stuttgart, 2001:10—20.
11. Muralt P. Micromachined Infrared Detectors Based on Pyroelectric Thin Films. Rep. on Progress in Phys. 2001;64:1339—1388.
12. Alferov Zh.I. i dr. Nanomaterialy i Nanotekhnologii. Mikrosistemnaya Tekhnika. 2005;8:3—13. (in Russian).
13. Gubin S.P., Tkachev S.V. Grafen i Rodstvennye
Nanoformy Ugleroda. M.: URSS, 2012. (in Russian).
14. Andrievskiy R.A., Ragulya A.V. Nanostrukturnye
Materialy. M.: Akademiya, 2005. (in Russian).
15. Nanotekhnologiya v Blizhayshem Desyatiletii. Prognoz Napravleniya Razvitiya / Pod Red. M.K. Roko, R.S. Uil'yamsa, P. Alivisatosa. M.:Mir, 2002. (in Russian).
16. Lew H.S. Electro-Tension and Torgue in Biological Membranec Modelled as a Dipole Sheet. Fluid Conductors. Biomechanics. 1972;5;4:126—132.
17. Gandilyan S.V., Gandilyan U.V. Obobshchennoe Elektromekhanicheskoe Modelirovanie Bioenergetiches- kih Sistem. Elektrotekhnika. 1996;6:53—56. (in Russian).
18. Nanobiotekhnologiya Biomimeticheskaya Memb- Ran / Pod Red. D.K. Martina. M.: Nauchnyy Mir. 2012. (in Russian).
19. Grigor'ev V.I., Grigor'eva E.V. Baroelektriches- kiy Effekt i Elektromagnitnye Polya Planety i Zvezd. M.: Fizmatlit, 2003. (in Russian).
20. Gandilyan S.V., Gandilyan U.V. Sovmeshchennye Induktivno-emkostnye Elektricheskie Mashiny. Izvestiya RAN. Ser. «Energetika i Transport». 1993;2:50—62. (in Russian).
21. Laptsevich A.A., Grechihin L.I., Kuts' N.G. Energeticheskaya baza Bespilotnyh Letatel'nyh Apparatov. Izvestiya Vyssh. Ucheb. Zavedeniy. Ser. «Energetika». 2010;1:64—78. (in Russian).
22. Pyatakov A.P., Zvezdin A.K. Magnitoelektriches- kie Materialy i Mul'tiferroiki. UFN. 2012;182:539—620. (in Russian).
23. Turkov V.E., Zhukova S.A., Riskin D.D. Reaktivnye Mikrodvigateli, Izgotavlivaemye po Tekhno- logii MST. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika. 2014;12: 7—21. (in Russian).
24. Karayn H.S. Gandilayn S.V. Several Issues of Generalized Physical and Mathematical Modeling of Micro- and Nano-Electromechanical Systems (MEMS and NEMS). Armenian J. Phys. 2016;9 (3):244—259.
25. Kovshov A.N., Nazarov YU.F., Ibragimov I.M. Osnovy Nanotekhnologii v Tekhnike. M.: Akademiya, 2009. (in Russian).
26. Al'tman Yu. Voennye Nanotekhnologii: Vozmozhnosti Primeneniya i Preventivnogo Kontrolya Vooruzheniy. M.: Tekhnosfera, 2006. (in Russian).
27. Gandilyan S.V. Nekotorye Voprosy Obob- shchennogo Fiziko-matematicheskogo Modelirovaniya Mikro- i Nanoelektromekhanicheskih Sistem. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika. 2015;8:15—32. (in Russian).
28. Haris P. Uglerodnye Nanotrubki i Rodstvennye Struktury. Novye Materialy XXI Veka. M.: Tekhnosfera, 2003. (in Russian).
29. Eletskiy A.V. Uglerodnye Nanotrubki i ih Emissionnye Svoystva. UFN. 2002;172;4:401—438.
30. Nanotekhnologiya v Blizhayshem Desyatiletii. Prognoz Napravleniya Issledovaniy / Pod Red. M. Roko, P. Alivistosa. M.: Mir, 2002. (in Russian).
---
For citation: Karayan G.S., Gandilyan S.V., Gandilyan V.V. Microsystems Electromechanics: the Current State and Prospects for Further Development. MPEI Vestnik. 2017; 5: 63—70. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2017-5-63-70.
Published
2019-01-17
Issue
Section
Electrical Engineering (05.09.00)
