Pierwsza obrabiarka sterowana mechanicznie – obrabiarka numeryczne CNC – lata 50.
Urządzenia mechatroniczne: drukarki laserowe i atramentowe, kserokopiarki nowej generacji, systemy w technice samochodowej, roboty i manipulatory, obrabiarki sterowane numerycznie, sterowanie cyfrowe maszyn do szycia, elektronicznie sterowany silnik spalinowy. Produkty mechatroniczne: płyty CD. Urządzenia mechatroniczne są zintegrowanymi zespołami elementów składowych i podzespołów spełniających różne funkcje, działających na różnych zasadach fizycznych i wykorzystujących różne zajęcia. Ich głównym zadaniem jest czynność mechaniczna, a istotą możliwość rozpozn bodźców zew, które docierają za pomocą systemu czujników. Między sensorami a elem wykonawczymi znaj się ukł przetwarzania i analizy sygnałów i element decyzyjny wyposażony w odpowiedni program. Mechatronika: obszar studiów łączący zasadę inż. Mechanicznej, elektrycznej i komp: metodyka optymalizująca projektowanie urządzeń elektromechanicznych; filozofia w zakresie projektowania, która wykorz interpretację mechaniki, elektroniki i tech komp dla otrzym zaawansowanych technologicznie urządzeń; interdyscyplinarny obszar inz zajmujący się projekt urządzeń, których funkcje zw są z integracją mechaniki z elem elektroniki. Mechatronika nie jest tożsama ani z automatyką ani robotyką czy też automatyzacją produkcji. Wzór: pr św = e = 3*10^8 m/s – nie można przesłać inf w czasie krótszym niż 0,3 ns na odległość 1 cm. Granice technologiczne: rozwój urządzeń MOS – technologia 70nm, technologia 3D (rozproszenie mocy); minimalny pomiar charakterystyczny – 30 nm – przebicie Zenera złącze podłoża; prąd upływu przez tlenek bramki; konieczne zmienia architektury MOPFEi – miniaturyzacja do r-6mm. Granice ekonomiczne – nowe rozwiązania układów elektrycznych; koszty budowy zakładu produkcyjnego – 1,5 mld E (2000r); 5 mld (2008r). Istnieję 2 sposoby zwiększania mocy obliczeniowej obwodów scalonych: albo zwiększyć skalę integracji; albo zmniejszyć czas opóźnienia związany z wykonywaniem operacji. Średni czas opóźnienia zależy od architektury obwodu. Fluktuacje kwantowe Euera potrzebne do zapisu/odczytu bitu informacji oraz częstotliwość ograniczane są zasadą Hecreuberga dEdt >=h. Stabilność obwodu względem fluktuacji termicznych E=5x10^(-20)[J]. Stabilność obwodu względem funkcji kwadratu: Et=10^n -> t>2x10^(-14) S; f<5x10^13 He. Opóźnienie RC Rezystancja przewodu doprowadzającego R=(pl)/(wt) dla bardzo krótkich przewodów R>(Af^2)/(wt) (kreślone h/e^2); krytyczna długość lkryt=(AF^2)/p (kreślone h/e^2). Kryt.=10nm
Mechatronika:
- obszar studiów łączący zasadę inżynierii mechanicznej, elektrycznej i komp.
metodyka optymalizująca projektowanie urządzeń elektromechanicznych
- filozofia w zakresie projektowania, która wykorzystuje synergiczną integrację mechaniki, elektroniki i tech komp dla otrzymywania zaawansowanych technologicznie urządzeń, systemów
- interdyscyplinarny obszar inżynierii zajmujących się projektowaniem urządzeń których funkcje zw są integracją mechaniki z elem elektroniki skoordynowanymi w ramach określonego systemu sterowania
- łączy technologicznie, mechaniczną, automatyczną dla stworzenia
Mechatronika nie jest tożsama ani z automatyką, ani robotyką czy też automatyzacją produkcji. Są to terminy istniejące obok siebie, ale i dla siebie.
Mechatronika może być rozumiana jako nowoczesne ujęcie techniki automatyzacji dla szeroko rozumianych potrzeb inżynierii i edukacji.
Mechatronika zaczęła się dynamicznie rozwijać w latach ze względu na wymagania rynku. Elementy elektryczne, elektroniczne w ukł mechanicznych zaczęło wprowadzać już w latach 40, a urządzenia z tego okresu można nazwać pierwszą generacją.
Pierwsze urządzenia mechatroniczne – obrabiarka sterowana numerycznie CNC – lata50.
Urządzenia mechatroniczne:
- drukarki laserowe lub atramentowe
- kserokopiarki nowej generacji
- roboty i manipulatory
- obrab. Sterowania numerycznego
- sterow. cyfrowe maszyn do szycia, maszyny dziewiarskie
- elektronicznie sterowany silnik spalinowy
Produkty mechatroniczne:
Plyty Cd
Urządzenia mechatroniczne są zintegrowanymi zespołami elementów składowych i podzespołów spełniających rózne funkcje, działających na róznych zasadach fizycznych i wykorzystujące różne zajęcia. Ich głównym zadaniem jest czynność mechaniczna, a istotą jest możliwość reagowania na bodźców zew docierające do urządzenia poprzez system czujników. Pomiędzy sensorem a elementem wykonawczym znajdują się układy przetwarzania i analizy sygnałów jak również element decyzyjny wyposażony w odpowiedni program działania urządzenia.
….
Str. 8
I dont like it and i Am sorry I ever had anything to do with it – Erwin schrodinger
I think that I can safely say that nobody understands quantum mechanics – Richard Feynman
Friction- tarcie
Combustion
Nanokomputer – komp wykonany z komponentów w skali nonametrycznej
Nanotechnologia – technologia oparta na manipulacji poszczególnymi elementami w celu stworzenia poszczególnych układów. Popularna dziedzina naukowa techniczna.
Nanotechnologie wyprorokował w latach 50r Feynman
Obecnie eric drexler zajmuje się nanotechnologią
Temat wykładu: Tam na dole jest mnóstwo miejsca” Data wykładu 29.12.59 moment powstania nanotechnolog
Pytanie: dlaczego nie możemy zapisać całej 24 – tomowej encyklopedii E. brittonica na łebku od szpilki?
Jeżeli coś zostanie zmniejszone do nano.. to zmieści się więcej
* prawo Moore’a: Moc obliczeniowa komputera podwaja się co 18 miesięcy
Mikroskop transmisyjny TEM
Na dyfraktometrze obraz elektronów jest zczytywany i przekazywany na monitor.
AFM/SPM-skaningowa mikroskopia sondowa (pozwalają również na skanowanie), światło lasera kierowane jest na element dźwigni następnie skierowane do fotodetektora.
Pomiędzy materiałem i elementem penetrującym jest potencjał. Potencjał zależy od rodzaju materiału. Ważne są stałe warunki fizyczne
Skaningowa mikroskopia sondowa SPM-STM. Odległość pomiarowa powinna być stała
Nanomanipulatory duża precyzja przesunięcia w trzech wymiarach
Manipulacja przy pomocy sondy STM
Manipulacja przy pomocy ”Rotary Assembler” (obrotowa manipulacja)
Manipulatry przeciętnej klasy nie ma możliwości wprowadzenia wgłęb materiału. Pomiar w 2 płaszczyznach.
2,48 at. Żelaza tworzona jest zagroda O średnicy 7,3nm Położenie czysta miedź.
35at tworzy znane logo IBM
W trybie wielokrotnym AIM umożliwia atomową rozdzielczość dla chemicznie obo0jętnych próbek. Gdy są chemicznie aktywne to pomiary w wodzie, wtedy siły dalekiego zasięgu SA kompensowane
Problem ten częściowo rozwiązuje się również przez pasywacje ostrza?? –powlekanie cienka warstwa teflonu
Dla podwyższenia rozdzielczości AFM i STM SA wiec podobne metody…
Dynamiczny tryb bezkontaktowy AFM-EM
Twardość:
silne tło dalekiego zasięgu, szumy przy pomiarze małych sił brak monotoższamości?? Sił krótkiego zasięgu.
Rozwiązania: zmniejszenie amplitudy drgań poniżej 1nm,
zwiększenie współczynnika sztywności K.
Odległość miedzy manipulatorem a materiałem w wys. Klasie manipulatorach posługuje się za pomocą nanorurek lub instalowany jest tłumik, który niweluje drgania pionowe. W zależności do drgań obraz widziany jest inny.
Max rozdzielczość STM i AFM jest określone strukturalnymi właściwościami atomowych, f. falowych ostrza, i próbki. Dlatego rozdzielczość subatomowa może być uzyskana dla mat, z odpowiednio wąskim (ostrym) rozkładem lokalizacji stanów elektronowych.
STM-czuły na słabo związane elektrony, które przestrzennie są mniej ograniczone
STM I SPM SA powolne, jednak dosyć dokładne gdyby były szybsze były by większe błędy.
Sonda kwarcowa: duża stabilność temp
Stabilność skanowania
Podwyższony stosunek prądu/szumu
Osłabienie składowej dalekiego zasięgu
Gdy krótsze tym mniejsze drgania..
Metody litograficzne wraz z reaktywnym trawieniem jonowym, UV, rentgenowskim, elektronowe, miękka litografia: epitopsia molekularna, Lokalne utlenianie, Synteza chemiczna, Synteza mechaniczna. Metody Litograficzne: L. projekcyjna (wykorzystywany układ optyczny, soczewka), L. Kontaktowa ( potrzebna matryca, gdzie promień dalej nie pada). L. Skaningowa (wykorzystuje promień elektronów, soczewka jest zastępowana przez cewki). Fotolitografia z optyką odbiciową ( projekcja z wykorzystaniem optyki odbiciowej). L. STM, Druk mikrokontaktowy (odmiana l. kontaktowej). W zależności od promieniowania: im fala krótsza tym większe częstotliwości, czyli można lepiej wejść w materiał. Fotolitografia: Wytwarzana matryca - na dowolne podłoże można nanieść warstwę przez naświetlanie (np. nadfioletem) (obraz wyjściowy ułożony). Maskownica pozwala na ułożenie linowe (lub zależy od jej kształtu „dziur”) Za pomocą prom. X można uzyskać nawet wyniki w skali 10 nm. Promienie wybijają materiał z matrycy, więc szybko się zużywają elementy (przez wybijanie elektronów). Gdy pro mień przechodzi przez zanieczyszczone środowisko. Miękka litografia: wytwarzanie elastycznej pieczątki – matryca (n a niej ciekły prekursor, który zwiera matrycę), powstaje pieczątka - na tym podłożu można wytworzyć złącze (samoorganizująca się monowarstwa) metodą dociskową przenosi się warstwy złożone na powierzchnię. Druk mikrokontaktowy – elementy muszą być czyste w sensie chemicznym, czułe na prądy (elementy samoorganizujące się) Metoda pressingu może dać b. dokładny efekt. Litografia odciskowa (nanodociskowa) odwzorowanie obrazu za pomocą luźnego podłoża (np. wytwarzanie metodą napylania zel-zol, próżniowo o b. dużej czystości) , mikroformowanie kapilarne – wprowadzany jest ciekły polimer do matrycy, którą wypełnia. Jest to forma na zasadzie kapilary. Musi być b. mała lepkość, aby wypełnił cała matrycę. Dip-pen (AMF) – dziwny rysunek. Epitaksja molekurana: mówi o wytwarzaniu mat. Który dokładnie odzwierciedla strukturę podłoża. Komórka epitaksyjna jest podgrzewana w środowisku próżni (służy do wytworzenie odpowiedniej struktury), b. dokładne (warstwa po warstwie, cząsteczka po cząsteczce) pozwala na budowę struktury. Pozwala na stworzenie b. skomplikowanych struktur, można wytwarzać super struktury po 1 warstwie, urządzenie wygląda na bardzo skomplikowane,
Baza elektroniki molekularnej:
- węglowe nanorurki (CNT)
- łańcuchy na bazie polifenylenu
Nanorurki węglowe i profitowe
Nanorurki – węgiel ułożony w specyficzny sposób, na kształt rurek. Płaszczyzna zostaje zrolowana. Ma bardzo ciekawe i specyficzne właściwości.
Budowa nanorurek:
Pusta w środku, ma tzw. pustą przestrzeń struktura o średnicy wewnętrznej od włókna do kilkuset nanometrów, o długości rzędu nawet kilkutysięcy nanometrów.
Podział:
- wielowarstwowe, składają się z kolejnych warstw nanorurek o wspólnych osiach.
- jednowarstwowe
Budowa nanorurek
Energia Fermi 2/3 dla metalu; 1/3 półprzewodniki
Zanieczyszczenia nanorurek. Pozbywając się ich można łatwo zniszczyć strukturę nanorurek.
Otrzymywanie nanorurek:
Różne metody: w atmosferze helu wytwarzane jest glazura z grafitu.
W przemyśle w temp 800-1200’C w odpowiednich aparaturach.
Nanotranzystory z nanorurek: Redukcja zużycia prądu , a więc również i wypromieniowanej energi termicznej, milion razy. To z kolei pozwala na zbudowanie procesorów setki razy szybszych.
Termistor nanorurkowy: nanorurka wygięta na kształt ??? jednowarstwowe, elektron musi przejść przez nanorurkę zewnętrznym polem elektrostatycznym trzeba wymusić ruch elektronu, wtedy będzie nanotranzystor.
Manipulacja nanorurkami – bardzo trudna jest do wykonania. Końcówka badawcza jest bardzo duża w porównaniu z nanorurką.
Właściwości nanorurek:
Zjawisko emisji polarnej.
Wytrzymałość – energia wiązań 0,7 eV/atom; wytrzymałość na rozciąganie 45 GP; bardzo odporne na zginanie.
Właściwości elektryczne: skrętność nanorurek umożliwia w przyszłości produkcję współczesnych przyrządów półprzewodnikowych; mogą przepuszczać prądy 1GA/cm^3
Źródła światła i wyświetlacze.
Nanorurki w elektronice:
Tranzystor jednoelektrodowy za jego pomocą można zbudować…
Kompozyty węglowe, Nanowaga za pomocą nanorurek ważenie manometrycznych obiektów.
Punkt odniesienia-tranzystor polowy
granice: teoretyczne
: technologiczne
:ekonomiczne
Granica teoretyczna:
g. rozproszenia mocy
g.kwantowa
g. opóźnienia RC
granica rozproszenia mocy:
temp. pracy 100C (mikroprocesora)
temp. otoczenia RT (pokojowe)
Energia fluktuacji termicznych
UBT=5x10-21J
Energia potrzebna do zmiany stanu bitu
F = 10kbT->F= 5 x 10-20J
Moc rozproszenia przez mikroprocesor podczas każdej operacji
p=FxnxfxP
F=4x10-19J
p=0,1 -> p= 25w/cm2
n=107;1011
p- prawdopodobieństwo przełączania
Istnieją 2 spos. zwiększania mocy obliczeniowej obwodów scalonych:
-albo zwiększyć skalę integracji
- albo zmniejszyc czas opóźnienia związany z wykonywaniem operacji
Średni czas opóźnienia zależy od architektury obwodu
Fluktuacje kwantowe
Energia potrzebna do zapisu/ odczytu bitu informacji oraz częstotliwość opóźnienia są zasadą Hescenberga
ΔFΔt>h
Granice technologiczne:
dolny rozwój urządzeń MOS
-technologia 70 nm
-technologia 3D (rozproszenie mocy)
Minimalny rozmiar charakterystyczny 30nm
-przebicie zerowe złącze podłoże/źródło
-prąd upływa przez tlenek bromku
Konieczna zmiana architektury
-miniaturyzacja do r-6nm
-
Granice ekonomiczne:
Nowe rozwiązania układów elektrycznych CMos
Koszty budowy zakładu produkcyjnego
- 1,5 mld euro (2000r)
- 5 mld euro (2008r)
ETI_sosnowiec