SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka

Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja

Autorzy rozdziałów: Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 1, 2, 10) Dr inż. Krzysztof Smółka (rozdz. 1, 2, 10) Mgr inż. Anna Firych-Nowacka (rozdz. 2) Prof. Zbigniew Kołaciński (rozdz. 3, 5, 6, 13) Mgr inż. Andrzej Kubiak (rozdz. 4) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 4) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr inż. Michał Szermer (rozdz. 8, 9) Dr inż. Przemysław Sękalski (rozdz. 8, 9) Prof. Andrzej Napieralski (rozdz. 8, 9) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 11) Dr hab. inż. Paweł Witczak, prof. PŁ (rozdz. 12)

Podręcznik akademicki przygotowany w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-68-0 © Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2009

MECHATRONIKA

WSTĘP.............................................................................................. 1 Sławomir Wiak 1. PODSTAWY MECHATRONIKI.................................................... 7

Sławomir Wiak, Krzysztof Smółka 1.1. Definicja mechatroniki........................................................... 7 1.2. Produkty mechatroniczne ................................................... 12 1.3. Analiza procesowa systemów mechatronicznych ............... 16

1.3.1. Tworzenie modeli i pojęcie funkcji w mechatronice . 17 1.3.2. Projektowanie systemów mechatronicznych............ 19

1.4. Składniki techniczno - ekonomiczne mechatroniki ............. 21 1.5. Inżynieria Zbieżna a Inżynieria Mechatroniczna ................ 22 1.6. Systemy ekspertowe szybkiego projektowania .................. 23 1.7. Narzędzia informatyczne projektowania maszyn

inteligentnych ..................................................................... 25 1.7.1. Logika rozmyta (Fuzzy Logic) .................................. 26 1.7.2. Sieci neuronowe (Neural Networks)......................... 27 1.7.3. Algorytmy genetyczne.............................................. 28 1.7.4. Metody rozwiązywania modeli matematycznych ..... 28

1.7.4.1. Jaki program wybrać? ............................... 28 1.8. Podsumowanie ............................................................. 30 1.9. Literatura....................................................................... 32

2. DYDAKTYKA MECHATRONIKI.................................................37 Sławomir Wiak, Krzysztof Smółka, Anna Firych-Nowacka

2.1. Mechatronika w edukacji..................................................... 37 2.1.1. Cele kierunku / specjalizacji Mechatronika. ............. 38 2.1.2. Organizacja programu nauczania ............................ 39 2.1.3. Przystosowania zasobów dydaktycznych ................ 40 2.1.4. Metody kształcenia mechatroników ......................... 43

2.1.4.1. Środowisko nauczania mechatroniki ......... 43 2.1.5. Mechatronik - inżynier ogólny, czy też wąski

specjalista? .............................................................. 46 2.2. Mechatronika w dydaktyce w Polsce i na świecie............... 48

2.2.1. Wydział Mechatroniki - Politechnika Warszawska ... 58 2.2.2. Wydział Mechatroniki - Wojskowa Akademia

Techniczna .............................................................. 59 2.2.3. Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn -

Politechnika Świętokrzyska...................................... 61 2.2.4. Politechnika Łódzka................................................. 62

MECHATRONIKA

2.2.4.1. Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki - Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych 62

2.2.4.2. Wydział Mechaniczny ................................ 69 2.2.5. Katedra Mechatroniki - Politechnika Białostocka ..... 71 2.2.6. Zakład Mechatroniki - Akademia Techniczno-

Humanistyczna w Bielsku-Białej .............................. 72 2.2.7. Katedra Mechatroniki - Politechnika Śląska............. 72 2.2.8. Katedra Robotyki i Systemów Mechatroniki -

Politechnika Gdańska .............................................. 74 2.2.9. Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia

Górniczo -Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie .............................................................. 75

2.2.10. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodnio-pomorski Uniwersytet Technologiczny... 77

2.3. Literatura............................................................................. 78 3. PODSTAWY MIKRO- I NANOTECHNOLOGII .......................... 81

Zbigniew Kołaciński

3.1. Nanomateriały definicje, klasyfikacja .................................. 81 3.2. Właściwości nanomateriałów .............................................. 81

3.2.1. Węgiel i jego właściwości......................................... 81 3.2.2. Własności fizyczne i chemiczne węgla .................... 82

3.2.2.1. Konfiguracja elektronowa .......................... 82 3.2.2.2. Właściwości chemiczne węgla................... 83 3.2.2.3. Właściwości fizyczne węgla....................... 84

3.3. Nanoproszki i ich właściwości............................................. 87 3.3.1. Ultradrobne proszki.................................................. 87

3.4. Klasyczne technologie otrzymywania nanomateriałów. ...... 90 3.4.1. Mechaniczna synteza .............................................. 90 3.4.2. Wysokoenergetyczne rozdrabnianie ........................ 90 3.4.3. Metoda zol - żel. ...................................................... 91 3.4.4. Reakcja chemiczna w fazie gazowej........................ 91 3.4.5. Elektroforeza............................................................ 91 3.4.6. Metoda szybkiego chłodzenia cieczy. ...................... 92 3.4.7. Metoda konsolidacji nanoproszków. ........................ 92 3.4.8. Synteza proszków metodą RTDS. ........................... 93

3.5. Plazmowe technologie nanomateriałowe............................ 93 3.5.1. Rodzaje plazmy technologicznej.............................. 93

MECHATRONIKA

3.5.2. Wyładowanie jarzeniowe i łukowe ........................... 94 3.5.3. Metoda aktywacji laserowej ..................................... 94 3.5.4. Metoda wyładowania łukowego, elektrołukowa ....... 96 3.5.5. Metoda CVD .......................................................... 100

3.6. Zagrożenia wypływające z nanotechnologii. ..................... 105 3.7. Literatura........................................................................... 106

4. TECHNOLOGIE MIKROELEKTRONICZNE DLA

MECHATRONIKI ..................................................................... 107 Andrzej Kubiak, Zbigniew Lisik

4.1. Technologia krzemowa w realizacji projektów mechatronicznych............................................................. 107

4.2. Infrastruktura technologiczna - clean-room....................... 111 4.3. Podłoże krzemowe jako materiał wyjściowy

dla mechatroniki................................................................ 114 4.4. Zmiana własności półprzewodników - domieszkowanie ... 116 4.5. Trawienie izotropowe i anizotropowe. Obróbka

przestrzenna krzemu ........................................................ 119 4.6. Odwzorowywanie kształtów. Maskowanie w procesie

głębokiego trawienia krzemu ............................................ 121 4.7. Wytwarzanie cienkich warstw dielektrycznych,

półprzewodnikowych przewodzących. Technologie utleniania termicznego, CVD i PVD .................................. 124

4.8. Metody łączenia i hermetyzacji struktur ............................ 131 4.9. Metody i narzędzia pomiarowe technologii krzemowej

stosowane do charakteryzacji struktur mechatronicznych 134 4.10. Literatura:......................................................................... 136

5. MULTIFUNKCJONALNE NANOSYSTEMY DLA DZIEDZIN

PRIORYTETOWYCH ............................................................... 137 Zbigniew Kołaciński

5.1. Perspektywy multifunkcjonalnych nanosystemów ............ 137 5.1.1. Nanotechnologia dla materiałów............................ 137

5.1.1.1. Nanoporowate materiały.......................... 138 5.1.1.2. Nanocząstki i nanokompozyty ................. 140 5.1.1.3. Dendryty .................................................. 141

5.1.2. Nanotechnologia dla zdrowia i systemów medycznych........................................................... 142

MECHATRONIKA

5.1.3. Nanotechnologia dla energii (energetyki, transportu).......................................... 144

5.2. Perspektywy zastosowań fulerenów ................................. 148 5.2.1. Elektronika ............................................................. 148 5.2.2. Nadprzewodnictwo................................................. 149 5.2.3. Energetyka............................................................. 149 5.2.4. Medycyna .............................................................. 149

5.2.4.1. Fotopolimeryzacja fulerenów................... 151 5.2.5. Perspektywy zastosowań nanorurek

węglowych CNT..................................................... 152 5.2.6. Przykładowe systemy funkcjonalne

z nanomateriałowymi produktami .......................... 155 5.2.7. Zasobnik energii do współpracy ze stabilizatorem

napięcia ................................................................. 155 5.2.8. Dwukierunkowy przekształtnik sprzęgający ........... 156 5.2.9. Hybrydowy napęd pojazdu miejskiego................... 157 5.2.10. Superkondensatorowy zasobnik dla farm

wiatrowych ............................................................. 160 5.3. Literatura........................................................................... 161

6. MIKROGENERATORY I ZASOBNIKI ENERGII

ELEKTRYCZNEJ..................................................................... 163 Zbigniew Kołaciński

6.1. Nanomateriałowe ogniwa słoneczne ................................ 163 6.1.1. Ogniwa krzemowe ................................................. 163 6.1.2. Ogniwa z kropką kwantową ................................... 166 6.1.3. Ogniwa z nanorurek węglowych ............................ 168 6.1.4. Ogniwa barwnikowe............................................... 168

6.2. Termoogniwa .................................................................... 171 6.2.1. Ogniwa nanomateriałowe ...................................... 172

6.2.1.1. Ogniwa litowe .......................................... 172 6.2.1.2. Baterie cynkowo-węglowe ....................... 177 6.2.1.3. Ogniwa paliwowe..................................... 179 6.2.1.4. Superkondensatory ................................. 183

6.3. Zasobniki wodoru.............................................................. 188 6.4. Literatura........................................................................... 190

MECHATRONIKA

7. MIKROSENSORY I MIKROAKTUATORY .............................. 191 Jacek Gołębiowski

7.1. Dziedziny zastosowań mikrosensorów i mikroaktuatorów w mechatronice................................................................. 191

7.2. Klasyfikacja mikroczujników i mikroaktuatorów................. 192 7.3. Podstawowe technologie stosowane w mikroczujnikach

i mikroaktuatorach krzemowych....................................... 198 7.4. Mikrokrzemowe czujniki .................................................... 204

7.4.1. Przetworniki piezorezystancyjne............................ 205 7.4.2. Przetworniki pojemnościowe.................................. 211 7.4.3. Przetworniki termiczne........................................... 215 7.4.4. Przetworniki piezoelektryczne................................ 218 7.4.5. Przetworniki rezonansowe i generacyjne............... 220 7.4.6. Przetworniki elektromagnetyczne .......................... 227

7.5. Mikroczujniki optoelektroniczne ........................................ 232 7.6. Mikroaktuatory krzemowe ................................................. 240

7.6.1. Przetworniki elektrostatyczne ................................ 240 7.6.2. Przetworniki piezoelektryczne................................ 243 7.6.3. Przetworniki elektromagnetyczne .......................... 245

7.7. Mikrosystemy.................................................................... 248 7.8. Modelowanie mikroczujników i mikroaktuatorów .............. 249 7.9. Literatura........................................................................... 253

8. MIKROSYSTEMY .................................................................... 255

Michał Szermer, Przemysław Sękalski, Andrzej Napieralski

8.1. Wstęp................................................................................ 255 8.2. Czujniki wielkości nieelektrycznych .................................. 256

8.2.1. Sensory termiczne ................................................. 257 8.2.1.1. Złącze p - n.............................................. 258 8.2.1.2. Układy PTAT ........................................... 259 8.2.1.3. Mikromaszynowe czujniki temperatury .... 260

8.3. Sensory chemiczne .......................................................... 262 8.4. Sensory magnetyczne ...................................................... 268

8.4.1. Magnetotranzystor lateralny................................... 270 8.4.2. Czujnik Halla.......................................................... 271 8.4.3. MAGFET................................................................ 272 8.4.4. Sensory optyczne .................................................. 273 8.4.5. Sensory mechaniczne............................................ 276

8.5. Aktuatory........................................................................... 279

MECHATRONIKA

8.5.1. Mikropompy ........................................................... 279 8.5.2. Mikrosilniki ............................................................. 281

8.6. Podsumowanie ................................................................. 282 8.7. Literatura........................................................................... 283

9. MODELOWANIE MIKROSYSTEMÓW.................................... 285 Michał Szermer, Przemysław Sękalski, Andrzej Napieralski

9.1. Wstęp................................................................................ 285 9.2. Podstawowe elementy mechaniczne................................ 286

9.2.1. Belka...................................................................... 286 9.2.1.1. Wyboczenie belki (ang. Buckling)............ 288

9.2.2. Membrana.............................................................. 289 9.2.3. Element o przekroju okrągłym ............................... 290

9.3. Zarys teorii przepływu płynów........................................... 291 9.4. Podstawy metody elementów skończonych...................... 295

9.4.1. Procedura metody elementów skończonych.......... 296 9.5. Zasady prawidłowej dyskretyzacji ..................................... 301 9.6. Analiza statyczna.............................................................. 302

9.6.1. Metoda frontalna.................................................... 304 9.7. Analiza dynamiczna.......................................................... 306 9.8. Oprogramowanie .............................................................. 308

9.8.1. Pakiet obliczeniowy ANSYS .................................. 308 9.8.2. Pakiet obliczeniowy SUGAR.................................. 311

9.9. Podsumowanie ................................................................. 313 9.10. Literatura........................................................................... 313

10. KOMPUTEROWE MODELE INTELIGENTNYCH

MIKROSYSTEMÓW .............................................................. 315 Sławomir Wiak, Krzysztof Smółka

10.1. MEMS ............................................................................ 315 10.1.1. Podstawowe informacje.................................... 315 10.1.2. Rys historyczny................................................. 316 10.1.3. Przegląd rynku.................................................. 319 10.1.4. Zastosowania.................................................... 320 10.1.5. Nowe zastosowania MEMS .............................. 325

10.1.5.1. BIO-MEMS ........................................ 325 10.1.5.2. MOEMS............................................. 327 10.1.5.3. RF MEMS.......................................... 328

10.2. Przegląd mikrostruktur i mikrosystemów ........................ 328

MECHATRONIKA

10.2.1. Elementy magnetyczne..................................... 331 10.2.2. Elementy optyczne ........................................... 335 10.2.3. Elementy mechaniczne..................................... 336 10.2.4. Elementy elektrostatyczne ................................ 338 10.2.5. Przełączniki optyczne MEMS i MOEMS ........... 339 10.2.6. Napędy elektrostatyczne................................... 343 10.2.7. Rozwój zastosowań .......................................... 344

10.3. Modelowanie inteligentnych mikrosystemów.................. 347 10.3.1. Metody modelowania........................................ 351 10.3.2. Modelowanie zorientowane obiektowo ............. 355

10.3.2.1. Podstawowe paradygmaty................. 355 10.3.2.2. Środowisko Matlab/Simulink.............. 357 10.3.2.3. Zorientowany obiektowo model

czujnika przyśpieszenia. .................... 358 10.3.2.4. Model oparty o parametry skupione

struktury (pojemności) uzębionej. ..... 360 10.3.3. Nowa metodologia projektowania

akcelerometrów MEMS..................................... 361 10.4. Podsumowanie............................................................... 362 10.5. Literatura ........................................................................ 363

11. WIZUALIZACJA UKŁADÓW MECHATRONICZNYCH ......... 377

Zbigniew Gmyrek

11.1. Wprowadzenie ............................................................... 377 11.2. Wykorzystanie programu Adobe Flash do tworzenia

wizualizacji ..................................................................... 381 11.3. Wykorzystanie programu Autodesk 3ds max

do tworzenia wizualizacji ................................................ 387 11.4. Literatura ........................................................................ 409

12. WIBROAKUSTYKA SYSTEMÓW MECHATRONICZNYCH... 411

Paweł Witczak

12.1. Wprowadzenie ............................................................... 411 12.2. Podstawy matematyczne analizy widmowej................... 412

12.2.1. Przestrzeń Euklidesowa N-wymiarowa............. 412 12.2.2. Zależności definicyjne liczb zespolonych.......... 414 12.2.3. Przekształcenie Fouriera .................................. 416 12.2.4. Dyskretna transformata Fouriera ...................... 421

MECHATRONIKA

12.2.5. Dwuwymiarowa dyskretna transformata Fouriera. ........................................................... 430

12.3. Akustyka techniczna....................................................... 433 12.3.1. Podstawowe zależności i zjawiska akustyczne. 433 12.3.2. Słyszenie dźwięku i parametry akustyczne....... 443

12.4. Podstawy teorii drgań ośrodków ciągłych....................... 447 12.4.1. Drgania układu o jednym stopniu swobody....... 447 12.4.2. Drgania własne układu o dwóch stopniach

swobody............................................................ 453 12.4.3. Drgania układów o wielu stopniach swobody.

Analiza modalna ............................................... 456 12.4.4. Elementy dynamiki układów ciągłych. Drgania

giętne. ............................................................... 463 12.4.5. Wstęp do metody elementów skończonych. ..... 468

12.5. Literatura ........................................................................ 475 13. PROGRAMOWANIE ZESPOŁOWEGO PROJEKTU

BADAWCZEGO....................................................................... 477 Zbigniew Kołaciński

13.1. Cel realizacji zespołowego projektu badawczego .......... 477 13.2. Organizacja projektu i jego treści ................................... 478 13.3. Praca w Grupie (ang. Teamwork)................................... 479 13.4. Inżynieria zintegrowana.................................................. 489 13.5. Projekt kompetencyjny ................................................... 489 13.6. Europejskie środki na prace badawczo wdrożeniowe .... 491 13.7. Literatura: ....................................................................... 510