Математические предиктивные модели изменения характеристик чувствительных элементов нано- и микроэлектромеханических датчиков, и волоконно-оптических гироскопов в результате воздействия полей различной природы (радиационные, температурные, гидродинамические, инерционные и др.)

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой уникальную технологию, которая сочетает в себе элементы механики, электроники и материаловедения. Эти миниатюрные устройства, размером от микрометров до миллиметров, находят широкое применение в различных областях, включая медицину, автомобильную промышленность, потребительскую электронику и многие другие. В настоящее время изучению МЭМС посвящено множество работ как отечественных, так и зарубежных исследователей. Их компоненты относительно хорошо изучены в рамках классической механики деформируемых тел, а также в рамках физики твердого тела. Одним из перспективных направлений развития МЭМС является дальнейшая миниатюризация его компонентов, что привело к появлению нового класса устройств – НЭМС. Новые материалы, наноразмеры и новые возможности по сборке НЭМС датчиков предопределили очень широкий круг возможного их применения. В формате наносенсоров могут быть созданы чувствительные датчики – биодетекторы, химические сенсоры, датчики движения и параметров жизнедеятельности в том числе человека. Миниатюризация требует пересмотра классических теорий и созданий новых. Также надо понимать, что НЭМС датчики - это очень широкий класс датчиков, которые достаточно сильно отличаются по размерам, принципам действия и используемым материалам. Кроме того, эффекты, которые проявляются в НЭМС, могут при определенных условиях наблюдаться и в МЭМС. Разработка и создание НЭМС датчиков требует междисциплинарного подхода, так как те классические подходы к исследованию динамики и процесса функционирования, которые используются для МЭМС, могут быть неприменимы к НЭМС вследствие наноразмеров их компонентов и сверхмалых (до 20-30 нм) зазоров между компонентами, что приводит к необходимости учета, например, квантовых эффектов. Сверхмалые (менее 20 нм) зазоры между компонентами МЭМС приводят к проявлению квантового эффекта – эффекта Казимира. Создание уточненных математических моделей нано- и микроэлектромеханических датчиков с учетом квантовых эффектов, электростатических сил, сил слабого взаимодействия и температурных воздействий представляется важной и актуальной задачей. Важными и актуальными представляются задачи моделирования вибраций в современных приборах и устройствах, в том числе в МЭМС-датчиках, которые часто сопряжены с рассмотрением колебательных систем, состоящих из упругоподатливых тел и газа или жидкости, взаимодействующих друг с другом, что требует постановки и решения связанных задач аэрогидроупругости. Данные проблемы относятся к системам, включающим упругие чувствительные элементы в виде жестких тел на упругом подвесе, балок или пластин, в том числе многослойных, установленных на упругих основаниях, и образующих стенки узких каналов, заполненных жидкостью или газом. Исследование указанных проблем будет осуществлено в рамках постановки и решение связанных краевых задач математической физики с учетом нелинейных свойств подвесов и оснований упругих элементов, инерционных, диссипативных свойств и сжимаемости жидкости или газа. Планируется определение нелинейных аэрогидроупругих откликов упругих элементов на различные источники вибраций, а также проведение вычислительных экспериментов по изучению данных откликов. Воздействия различных внешних и внутренних полей являются факторами, оказывающими влияние на точность, надежность и срок службы волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). Поэтому исследование и анализ их влияния на процессы, протекающие в них, является важной и актуальной задачей. Кроме того, такие приборы, используемые в космических аппаратах, могут работать в условиях вакуума и невесомости и под воздействием жесткого радиационного излучения. Такие условия могут оказывать более существенное, чем земные, влияние на эксплуатационные характеристики прибора и, следовательно, на его работоспособность. Разработка прогнозной поведенческой имитационной модели, предсказывающей изменение характеристик ВОГ на основе анализа теоретических и экспериментальных данных при присутствии полей различной природы, позволит внести значительный вклад в копилку знаний о механизмах и степени влияния различных полей и способствовать разработке возможных методов защиты или компенсации.