Исследование и моделирование функциональных характеристик чувствительного элемента микромеханического акселерометра для использования в условиях механических и температурных воздействий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Аунг Тхура

• Аунг Тхура
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Аунг Тхура

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПЕРЕМЕННЫХ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1.1 Основные типы микромеханических акселерометров, их преимущества и недостатки

1.2 Основные технологические процессы изготовления ММА

1.3 Влияние различных факторов на функционирование МЭМС датчиков

1.4 Выводы по главе

Постановка задач диссертационной работы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПАРАМЕТРЫ МЭМС ДАТЧИКОВ

2.1 Анализ механических воздействий, влияющих на функционирование образцов ММА

2.2 Исследование выходных характеристик образцов ММА при воздействии синусоидальной вибрации

2.3 Исследование выходных сигналов образцов ММА при воздействии случайной вибрации

2.4 Исследование выходных сигналов образцов ММА при воздействии на них динамического удара

2.5 Анализ возможных технологий изготовления экспериментальных образцов ММА и моделирование чувствительного элемента (ЧЭ)

2.6 Анализ принципа работы (ММА) и моделирование механических свойств элементов конструкции

2.7 Выводы по главе

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ЧАСТОТНЫХ ММА И МОДЕЛИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВОЙ СКЛАДЧАТОЙ БАЛКИ ЧЭ

3.1 Анализ и сравнение разновидностей частотных ММА

3.2 Элементы подвеса, используемые в конструкциях ММА

3.3 Расчет конструкции акселерометра со складчатыми пружинами

3.4 Моделирование коэффициента жёсткости складчатой пружины

3.5 Исследование влияния остаточного напряжения на отклонения складчатой пружины

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕРОВ

4.1 Анализ особенностей различных микроактюаторов в ММА

4.2 Моделирование электростатической силы между статорным и роторным электродами актюатора

4.3 Учёт влияния перекрытия между зубцами гребенок актюатора на величину электростатической силы

4.4 Расчет изменения собственных частот резонаторов различных конструкций при воздействии на них механической силы

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОУПРУГОГО ДЕМПФИРОВАНИЯ И ОСТАТОЧНОГО МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАТОРОВ ЧАСТОНЫХ ММА

5.1 Конструкции различных резонаторов частотных ММА

5.2 Исследование влияния термоупругого демпфирования на параметры резонаторов

5.3 Исследование влияния остаточного механического напряжения на частоту колебаний резонаторов

5.4 Выводы по главе

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РАБОТУ РЕЗОНАТОРА ЧАСТОТНОГО ММА

6.1 Расчет механического воздействия на консольную балку в результате нагрева

6.2 Моделирование изменения частоты колебаний двух и одно-фиксированного балочных резонаторов при флуктуациях температуры

6.3 Исследование резонаторов частотного ММА различных конструкций при воздействии температуры

6.4 Исследование способа уменьшения температурного воздействия на частоту колебаний резонатора ММА

6.5 Разработка конструкции ЧЭ и исследование влияния внешних факторов на функционирование частотного ММА

6.6 Рекомендации к технологическим операциям и разработке алгоритма технологии изготовления разработанной конструкции ЧЭ частотного ММА

6.7 Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БР - балочный резонатор

ВВФ - внешние воздействующие факторы

ГА - гребенчатый актюатор

ГД - газовое демпфирование

ММА - микромеханический акселерометр

МР - микрорычаг

МСТ - микросистемная техника

МУ - механический удар

МЭ - микроэлектроника

МЭМС - микро электромеханическая система

ОМН - остаточное механическое напряжение

РИТ - реактивное ионное травление

СВ - случайная вибрация

СП - складчатая пружина

ТД - термоупругое демпфирование

ЧММА - частотный микромеханический акселерометр

ЧЭ - чувствительный элемент

ЭА - электронная аппаратура

ЭДС - электродвижущая сила

Термин

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПЕРЕМЕННЫХ

Обозначение Единица измерения

Температура Т

Диэлектрическая проницаемость £г

Длина Ь

Добротность Q

Ёмкость C Коэффициент термического линейного

расширения (КТЛР) а

Коэффициента жесткости k

Изгибающий момент М

Масса т

Сила F

Момент инерции I

Напряжение V

Плотность материала ро

Площадь А

Теплоёмкость Ср

Теплопроводность к

Ускорение a

Частота колебаний /

Число зубцов роторного электрода N

К, оС м, мкм пФ

1/К

Н/м Нхм кг Н

м4

В

кг/м3 м2

Дж/(кг-К) Вт/(м-К) ед. g (1g=9,8м/с2) Гц шт

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и моделирование функциональных характеристик чувствительного элемента микромеханического акселерометра для использования в условиях механических и температурных воздействий»

ВВЕДЕНИЕ

Обстоятельный обзор истории появления и развития МЭМС в мире был написан профессором Саймоном Миддлхоеком из Университета Делфта в Нидерландах. По его сведениям, в 1965 г. в США в Стэнфордском университете было начато исследование кремниевых датчиков. В 1969 году Владимир Ваганов, докторант МИФИ, побывал в Стэндфордском университете и встречался с Ken Wise, хорошо известным как в области разработки МЭМС, именно он первым в мире развивал микромеханику для изготовления кремниевых микроэлектродов. После возвращения Ваганова в Россию была начата реализация аналогичной исследовательской программы в МИФИ. Таким образом в России начались работы в новой области - микромеханике, связанной с микроэлектроникой. На ранней стадии работ отсутствие необходимых материалов, оборудования и химических веществ мотивировало исследователей к инновациям и изобретательской деятельности. Исследователи начинали работать с кремниевыми пластинами ориентацией (111) и уже вскоре ими был разработан пьезорезистивный датчик давления. В 1972 году было опубликовано описание датчика давления, выполненного в одном корпусе с интегральным усилителем (рис. 1).

П I»

Ш5

+

Рис. 1 Пьезорезистивный датчик давления, интегрированный с дифференциальным усилителем

В 1974 году в СССР был создан первый микроакселерометр, который разработан и реализован на базе конструкции датчика давления. Он имел вид, показанный на рисунке 2(а) [1].

- и

'|ЛГ

(а) (б)

Рис. 2 Прототип акселерометра, сделанный на основе датчика давления (а) и первый пьезорезистивный акселерометр с консольными балками (б) А в 1975 году изготовлен первый пьезорезистивный акселерометр с консольными балками (рис. 2(б)), в том же году появились датчики давления на основе биполярных и МОП-транзисторов (рис. 3 а, б, в).

(а) (б) (в)

Рис. 3 Датчик давления с биполярными пьезо-транзисторами р-п-р и п-р-п в качестве чувствительных компонентов (а); датчик давления с р-канальным пьезо-тран-зистором МОП (б); первая пьезочувствительная схема (1975), объединяющая пье-

зотранзисторы и пьезорезисторы (в) В 1976 году первый курс лекций по микродатчикам был прочитан аспирантам МИФИ. В 1980-1981 годах в МИФИ было опубликовано два учебника для студентов

- «Микроэлектронные первичные преобразователи» и «Интегральные первичные преобразователи» (рис. 4, а, б). В 1983 году первая монография по датчикам - интегральным тензопреобразователям - была опубликована Вагановым в издательстве «Энерго-атомиздат» (рис. 4, в), эта книга была одной из первых, посвящённых микродатчикам [1].

Интегральные тензопреобразователи

(а) (б) (в)

Рис. 4 Учебники, посвящённые преобразователям

В период с 1972 по 1985 год усилия учёных были сосредоточены на развитии теории, создании конструкторских и проектных основ, технологических процессов изготовления механических датчиков. В течение нескольких лет проводились обширные исследования и анализ чувствительности пьезорезисторов с разными угловыми ори-ентациями и положениями на пружинных элементах различной формы и с различной кристаллографической ориентацией поверхности. Проанализированы квадратные, круглые, прямоугольные, восьмиугольные, цилиндрические, плоские и профилированные по толщине пружинные элементы. В результате были разработаны проектные концепции и правила проектирования для разных электромеханических микродатчиков [1].

В СССР имелось достаточно большое число предприятий, академических и прикладных НИИ, в которых традиционно разрабатывались и создавались новые приборы, в их числе и преобразователи на основе тензометрических датчиков, в частности полупроводниковых тензодатчиков. Среди этих организаций стоит отметить НИИ Машиноведения АН СССР, «Гиредмет», НИИ «Теплоприбор», НИКИМП, НПК ТЦ МИЭТ и др. Среди образовательных учреждений были проведены новаторские исследования в области создания и применения микродатчиков в МВТУ им. Баумана, Новосибирском университете, Московском институте электронной техники (МИЭТ), Ленинградском Гос. Университете, Ленинградском политехническом институте, Каунасском политехническом институте и многих других [1]. Все эти организации значительно способствовали развитию теории МЭМС-устройств, появлению технологий их изготовления и контроля параметров. Имелось несколько организаций, которые не только проводили исследования и разработки микродатчиков, но и коммерциализировали свои разработки, в частности НИИ «Теплоприбор» разработал серию датчиков давления, изготавливаемых по технологии «кремний-на-сафире» (КНС), в 1973 году, затем сотрудничал с полупроводниковой компанией в Зеленограде и начал их производство в 1974 году. Преобразователи были разработаны для применения в достаточно жёстких условиях и обеспечивали точность 0,1-0,25% в диапазоне температур от -50° С до +120° с.

НИИ физических измерений (г. Пенза) разработал 11 типов датчиков давления для аэродинамических применений. Высокое качество этих устройств позволило использовать их в российском космическом корабле «Буран». Датчики изготавливались серийно (1983 г.), они приведены на рис.5.

Рис. 5 Датчики давления для аэродинамических применений

Предприятие «Электроприбор» в Ленинграде (Санкт-Петербург) разработала датчики низкого давления для автомобильных приложений и начала их производство в 1989 году.

В настоящее время требования к микроэлектромеханическим приборам и системам (МЭМС) постоянно ужесточаются. Прогнозируется, что объемы производства продолжат существенно расти, по крайней мере в течении еще нескольких десятилетий. Продукция на основе MЭМС, произведенная в 2005 году, имела стоимость 8 миллиардов долларов, 40% её объёма составляли датчики. Изделия МЭМС использовались в струйных печатающих головках принтеров, катетерах, микросхемах RF ГС со встроенными индукторами и в других изделиях [2]. По данным ШЗ iSuppli в 2011 году в мире было продано 4,3 миллиарда микромеханических датчиков. Впечатляющее увеличение объёма продаж - до 9,8 миллиардов датчиков произошло в 2015 году, темпы роста составили 23% в год. Такие темпы возможны только при непрерывных усилиях по повышению производительности производственного процесса, уменьшению размеров, энергопотребления и стоимости датчиков [3]. Благодаря тому, что МЭМС датчики начали интенсивно использоваться в бытовой электронике (например, смартфонах, фитнес-трекерах, умных часах и др.), рынок MЭМС-приборов из года в год растет всё быстрее, быстрее чем рынок продукции полупроводниковой промышленности в целом.

На рис. 6 показаны три характерные ступени распространение МЭМС, связанные с их применением.

Рис. 6 Три ступени распространения МЭМС

Первая ступень использования МЭМС - их применение в автомобилях. С середины 90-х годов в автомобилях начали использовать МЭМС датчики (акселерометры, инклинометры, датчики давления). В стандартном автомобиле сегодня присутствует более 50 МЭМС-датчиков [4], которые используются для: управления двигателем (для контроля барометрического давления воздуха, в сажевых фильтрах, датчиках расхода топлива и др.), управления динамикой машины (датчик скорости вращения, датчик давления, инерциальные измерительные модули, датчики ускорения и др.), системы безопасности (датчик опрокидывания, датчик веса пассажира iBolt, пешеходный контактный датчик, усовершенствованный датчик (upfront sensor), периферийный датчик давления и т.д.). С МЭМС датчиками автомобили стали более удобными и безопасными, более эффективными, экономичными и чистыми, их использование приносит пользу окружающей среде (рис.7).

Рис. 7 Применение датчиков MEMS в современном автомобиле

Вторая ступень использования МЭМС - их применение в бытовой технике (рис.8). С середины прошлого десятилетия началось широкое использование МЭМС датчиков в мобильных телефонах. Сегодняшние приложения МЭМС датчиков в смартфонах способны выполнять множество функций, в их числе определение ориентации (портрет/ пейзаж, перевернутая функция, профиль свободной речи), реализацию пользовательского интерфейса (игровой вход, навигация по меню, распознавание жестов), анализ параметров движения (шаг подсчета, мониторинг активности (Activity monitoring), управление энергопотреблением), пешеходную навигацию (вычисление, контроль уровня пола, сервисы, основанные на определении местоположения).

Рис. 8 Применение МЭМС-датчиков в бытовой технике

Третья ступень использования МЭМС - мониторинг и контроль различных объектов и процессов. Сегодня многие автономные устройства, такие, в частности, как бытовая техника, используемая для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК системы), связаны с распределенными сетями. В настоящем и будущем происходит переход от мониторинга текущих состояний одиночных устройств к управлению интеллектуально, с помощью сетей, связанными бытовыми устройствами и системами ОВК в зависимости от присутствия/отсутствия лиц, их индивидуального поведения, времени, прогноза погоды, цены на электроэнергию и т. д. Для контроля необходимы разнообразные датчики и вычислительные устройства. Функционирование МЭМС-датчиков происходит в условиях внешней среды. Для обеспечения их стабильной и надёжной работы необходимо обеспечить устойчивость к внешним воздействиям, к важнейшим таковым воздействиям относятся температурные и механические.

Рис.9 Иллюстрация к использованию датчиков совместно с электронно-вычислительными средствами

Поэтому сенсорные и программные продукты имеют в настоящее время важнейшее значение. Сенсорные модули измеряют множество физических величин, они функционируют непрерывно в течение длительного времени (всегда включены), имеют блоки обработки с программным обеспечением и подключены к сети связи (рисунок 9). С помощью МЭМС осуществляются управляющие воздействия на основе измеренных датчиками параметров контролируемых ими объектов. Реализуется поддержание работоспособного состояния устройств и сетей, обеспечение необходимого пространственного положения и состояния оборудования и т.д.

Микроакселерометры одни из наиболее широко используемых приборов с огромными областями применения и большими возможностями использования в различных условиях - при повышенных и пониженных температурах, давлениях, вибрациях и других внешних воздействиях. Для обеспечения измерений линейного ускорения с помощью элементов МЭМС в условиях вибрации и изменяющихся температур необходимо создание специализированных конструкций чувствительных элементов микроакселерометров, проведение исследований устойчивости элементов конструк-

ции к внешним воздействующим факторам, а также проведение научного поиска способов изготовления и инженерных расчетов элементов конструкции, обеспечение методического сопровождения необходимых исследований и измерений. В связи с этим выбрана актуальная тема диссертационной работы «Исследование и моделирование функциональных характеристик чувствительного элемента микромеханического акселерометра для использования в условиях механических и температурных воздействий».

Цель диссертационной работы

Целью настоящей диссертационной работы является разработка конструкции чувствительного элемента микромеханического акселерометра, устойчивого к воздействию механических и температурных внешних факторов.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования устойчивости образцов ММА емкостного типа с диапазоном измерения ускорений ± (1,2-50) g, в рабочем диапазоне частот 12-2500 Гц к воздействию:- синусоидальной вибрации (с помощью их амплитудно- частотной характеристики (АЧХ)); - случайного вибрационного спектра (используя анализ спектральной плотности мощности (PSD)); - механических ударов (с помощью модели, имитирующей ударные воздействия, с приближением полусинусоидальной формы).

2. Коэффициент жёсткости элементов подвеса (торсионов) в емкостном ММА влияет на частотные характеристики ММА и может определять устойчивость к воздействию случайной и синусоидальной (широкополосной) вибрации, влиять на потерю или искажение выходного сигнала при измерении ускорения, особенно в малом диапазоне ( ±1,2) g.

3. Наличие остаточного напряжения в балке снижает величину её деформации, что необходимо учитывать при конструировании МЭМС приборов с повышенной стабильностью параметров, с чувствительными элементами, изготовленными из кремния. На величину деформации складчатой балки (пружины) из кремния под действием ускорения влияет кристаллографическая ориентация кремния.

4. Влияние величины перекрытия зубцов актюатора между гребенками ротора и статора на электростатическую силу между ними незначительно, но на величину ёмкости между ними влияние перекрытия заметное за счёт боковых поверхностей ротора и статора. Балочная конструкция электростатического актюатора имеет ряд преимуществ перед гребёнчатой конструкцией за счёт меньших массо-габаритных показателей, меньших паразитных электростатических сил, действующих по нерабочим осям (у и z), большего изменения частоты под действием ускорения.

5. Резонансная частота колебаний исследованных конструкций балочных резонаторов возрастает с ростом остаточного механического напряжения в них, и зависит от кристаллографической ориентации кремния.

Научная новизна

1. Установлены зависимости добротности и собственной частоты колебаний резонатора частотного ММА от величин остаточного механического напряжения в его конструктивах и термоупругого демпфирования, которые зависят от кристаллографической ориентации кремния, использованного для изготовления чувствительного элемента.

2. Предложены модели расчета коэффициента жесткости складчатых пружин и электростатической силы, действующей между зубцами ротора и статора гребенчатого актюатора с учетом их геометрических особенностей.

3. Стабильность частоты ММА в диапазоне температуры от -40 до +85оС может быть обеспечена при использовании конструкции с температурным компенсатором в виде консольной балки с резонатором внутри неё.

4. Выявлен критерий устойчивости образцов ММА к воздействию случайной вибрации, основанные на определении соотношения их выходных сигналов при вибрационном воздействии заданному профилю спектральной плотности мощности (PSD).

Практическая значимость работы

1. Разработанные методики оценки устойчивости экспериментальных образцов емкостных ММА к вибрационному синусоидальному воздействию, к воздействию случайной вибрации и к воздействию ударов использованы в научных работах и учебном процессе Института НМСТ МИЭТ.

2. Разработанная конструкция частотного ММА с электростатическим актюатором балочной конструкции позволяет уменьшить массо-габаритные показатели, обеспечить меньшее влияние электростатических сил по нерабочим осям и большее изменение частоты под действием ускорения по сравнению с гребенчатой конструкцией.

3. Предложенная конструкция ЧЭ частотного ММА с балочным резонатором с утолщениями в торцевых частях и креплениями посредством подвесных элементов (торсионов) с уменьшенной площадью сечения, позволяет уменьшить влияние термоупругого демпфирования и остаточного механического напряжения на его работу, повысить добротность колебательного контура по сравнению с другими вариантами конструкций балочных резонаторов.

4. Разработана конструкция резонатора содержащего термокомпенсатор, предложены рекомендации для разработки алгоритма технологического процесса изготовления частотных ММА.

Реализация результатов работы

Материалы диссертационной работы использованы для обновления рабочих

программ и других учебно-методических материалов дисциплин «Исследование и

анализ современного состояния и перспектив развития МСТ», «Технологии изготовления изделий микросистемной техники (МСТ) на базе инновационных разработок», «Контроль и испытания микросистем».

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении прикладных научных исследований по Соглашению №14.575.21.0069, в научных статьях и докладах, а также в учебном процессе, реализуемом в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники».

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

1.1 Основные типы микромеханических акселерометров, их преимущества и недостатки

Существует достаточно большое число различных типов акселерометров, отличающихся принципами получения информационного сигнала.

Первый тип - это приборы прямого преобразования. Он характеризуется тем, что при появлении ускорения инерционная масса перемещается, вследствие этого расстояние между закреплёнными элементами (статором) и подвижным элементами конструкции датчика меняется. Существуют разновидности акселерометров этого типа -емкостной, индуктивный, оптический, потенциометрический, серво-управляемый, пьезорезистивный, магнитоэлектрический и т.д.

Второй тип - компенсационные приборы. В таких приборах инерционная масса почти не отклоняется и находится всегда в одном положении. При воздействии ускорения на ММА такого типа создается уравновешивающая сила, компенсирующая воздействие ускорения и обеспечивающая неизменное положение инерционной массы [5]. Измерение компенсирующего воздействия позволяет получать информацию об ускорении. В этом случае возможны более точные измерения ускорения в расширенном диапазоне. К недостаткам такого способа можно отнести более сложную систему измерений и более сложную конструкцию прибора.

Существуют также приборы, в которых нет элементов подвеса между подвижной инерционной массой и измерительной системой акселерометра. Примером могут служить жидкостные (электролитические) акселерометры или термические (тепловые) ММА. В тепловых ММА перемещаются молекулы газовой среды вокруг нагревательных и измерительных элементов. Под действием ускорения нагретые молекулы перемещаются и меняют тепловое распределение, фиксируемое измерительной системой.

На рис. 1.1 показан принцип действия акселерометра прямого преобразования. Обычно чувствительный элемент ММА состоит из инерционной массы, пружины (складчатых пружин или торсионов) и двух (или нескольких) электродов (один - подвижный связанный с инерционной массой, а другой - неподвижный). При появлении ускорения инерционная масса перемешается, в результате чего зазор между двумя электродами меняется.

Рис. 1.1 Схема работы емкостного микроакселерометра

На рис 1.2 приведена иллюстрация к принципу работы микроакселерометра маятниковой конструкции [6]. Емкостной микроакселерометр гребенчатой конструкции состоит из складчатых пружин (торсионов), инерционной массы с гребенчатым ротором и гребенчатым статором.

Рис. 1.2 Иллюстрация емкостного микроакселерометра маятниковой конструкции

Когда инерционная масса перемещается, зазоры между гребенками меняются. На рис 1.3 показан гребенчатый емкостной микроакселерометр [7].

Рис. 1.3 Гребенчатый емкостный микроакселерометр (вид сверху)

На рис. 1.4 показана схема одной из конструкций оптического микроакселерометра [8].

а) б)

Рис. 1.4 Схематичное изображение конструкции оптического микроакселерометра, вид сверху (а), вид сбоку (б)

Оптический акселерометр приведенной конструкции состоит из инерционной массы, четырех складчатых пружин, оптических волноводов. На поверхности инерционной массы и рамки находятся оптические волноводы. При появлении ускорения инерционная масса перемещается, в результате чего интенсивность света в оптическом тракте пропорционально изменяется. Пьзорезистивный микроакселерометр измеряет изменение напряжения на пьезорезисторах в зависимости от ускорения. В частотных акселерометрах при появлении ускорения возникает сила, воздействующая на резонатор (т.е. сжимающая, растягивающая или изгибающая сила), в результате чего частота колебаний резонатора меняется пропорционально воздействию. Частотный микроакселерометр фиксирует изменение частоты колебаний резонатора, происходящее в результате воздействия ускорения (Гц^). На рис. 1.5 показана схема конструкции электромагнитного частотного резонансного микроакселерометра [9]. Его конструкция состоит из инерционной массы, торсионов, резонаторов. Магнитное поле влияет на все 4 балки. Когда переменный ток протекает через 2 нижние балки, то они

возбуждаются на своей собственной частоте колебаний, тем самым на 2-х верхних балках наводится противоположно направленная ЭДС. При наличии ускорения инерционная масса отклоняется, при этом резонаторы растягиваются или сжимаются, в результате чего собственная частота колебаний резонаторов меняется.

Рис. 1.5 Схематичное изображение конструкции электромагнитного частотного

микроакселерометра

На рис. 1.6 приведена иллюстрация принципа работы индукционного частотного микроакселерометра [10]. Конструкция состоит из инерционной массы, складчатых пружин (они работают и как пружины и как катушки индуктивности). При ускорении по оси -х левые складчатые пружины сжимаются, правые складчатые пружины растягиваются, а по оси +х они работают наоборот. При этом у катушек (у пружин) индуктивность меняется пропорционально воздействию.

Рис. 1.6 Иллюстрация к принципу работы индукционного частотного резонансного микроакселерометра

На рис. 1.7(а,б) показаны резонатор DETF (Double Ended Tuning Fork) и конструкция емкостного гребенчатого частотного резонансного микроакселерометра [11]. Данная конструкция состоит из инерционной массы, складчатых пружин (СП), микрорычагов (МР), гребенчатых актюаторов (ГА), с которыми связаны резонаторы.

(а)

(б)

Рис. 1.7 Фотография DEFT резонатора (а) и схематичное изображение конструкции емкостного гребенчатого частотного резонансного микроакселерометра (б)

Гребенчатые актюаторы используются для возбуждения резонатора, а микрорычаги - для увеличения момента действия силы. При движении инерционной массы один резонатор растягивается и одновременно другой резонатор сжимается.

На рис. 1.8 показана конструкция пьезоэлектрического частотного резонансного микроакселерометра [12]. Его конструкция состоит из инерционной массы, нагревателя, торсионов, пьезорезиторов, резонатора. На поверхности резонатора пьезорези-стор формируется вблизи его края. Когда инерционная масса перемещается, резонатор сжимается или растягивается. Пьезорезистор фиксирует растяжение и сжатие резонатора. Таким образом можно снимать сигнал, зависящий от изменения частоты резонатора при ускорении.

Рис. 1.8 Устройство пьезоэлектрического частотного резонансного микроакселерометра

На рис. 1.9 представлена конструкция пьезорезистивного микроакселерометра [13]. Она включает в свой состав четыре торсиона, 8 пьезорезисторов и инерционную массу. Пьезорезисторы находятся на краях торсионов. При воздействии растягивающей силы пьезорезистор уменьшает свое сопротивление, а при сжатии он его увеличивает. При движении инерционной массы торсионы изгибаются, пьезорезисторы изменяют свои сопротивления, что позволяет судить о величине и направлении ускорения.

Рис. 1.9 Конструкция пьезорезистивного микроакселерометра и его эквивалентная электрическая схема

Термический микромеханический акселерометр не имеет строго фиксированной инерционной массы (рис. 1.10). В его состав входят нагреватель, два детектора (термопары), расположенные с двух сторон и имеется

Рис. 1.10 Схематическое изображение термического микромеханического акселерометра

вытравленная выемка, заполненная газом [14]. При ускорении молекулы газа перемещаются от нагревателя к детектору, при этом выходные сигналы детекторов меняются пропорционально ускорению. В табл.1.1 приведены сравнительные данные, показывающие преимущества и недостатки микроакселерометров, работа которых основана

на разных принципах формирования полезного сигнала, пропорционального измеряемому ускорению.

Таблица 1.1 - Сравнение различных микроакселерометров [5]

Акселерометр Преимущества Недостатки

Емкостной > большое разрешение > большая чувствительность > миниатюрность > прочность > большой частотный диапазон > невысокая линейность выходной характеристики > большая чувствительность к изменению температуры

Оптический > требуется частотное кодирование выходного сигнала > > высокая точность > ударопрочность > низкий механический гистерезис > дорогая схемотехника из-за сложной обработки данных > большая зависимость от изменения температуры

Частотный > простая конструкция > маленькая потребляемая мощность > высокая точность > большая линейность и стабильность > большой динамический диапазон зависит от схемы измерения, может быть от несколько десятков до тысяч g > небольшая стойкость к ударам > нелинейность выходной характеристики зависит от используемой схемотехники обработки данных > динамический диапазон измерений зависит от используемой схемотехники обработки данных > сложность конструкции

Пьезорезистивный > большая чувствительность > низкая стоимость > большой динамический диапазон > большой частотный диапазон ускорений (>30 кГц) > простая обработка данных > миниатюризация > не высокая линейность > большая чувствительность к изменению температуры > Чем ниже чувствительность, тем выше полоса пропускания

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аунг Тхура, 2018 год

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Evgeni G., Eric G., Arthur D. Advanced Materials and Technologies for Mi-cro/Nano-Devices, Sensors and Actuators // The NATO Science for Peace and Security Programme. - 2006. - P. 1-130.

2. Pryputniewiez R. J. Current Trends and Future Directions in MEMS // So-ciety for Experimental Mechanics. - 2011. - P. 1-15.

3. Dr. Stefan F. MEMS for automotive and consumer electronics // Bosh Sen-sortec GmbH. - 2013. - P. 9-14.

4. Gerhard L. The future of MEMS sensors in our connected world // Bosh Sensortec GmbH. - 2015. - P. 61-64.

5. Pavel R., Alois T. Modern Sensors Handbook // Instrumentation and Meas-urement Series. - 2007. - P. 1-536.

6. Serrano D. E., Jong Y., Keesara V., Sung W. K., Ayazi F. Single proofmass tri-axial pendulum accelerometers operating in vacuum // IEEE. - 2014. - P. 28-31.

7. https://www.asee.org/documents/zones/zone1/2008/student/ASEE12008_0050_pa-per.pdf.

8. Jose A. P., Andreu L., Carlos D., Jaume E., Inigo S., Jorge G., Berganzo J. BESOI-Based Integrated Optical Silicon Accelerometer // Journal of Microe-lectromechanical Systems. - Vol. 13. - 2004. - P. 355-364.

9. Deyoung C., Zhengwei W., Lei L., Xiaojing S., Junbo W. An Electromag-netically Excited Silicon Nitride Beam Resonant Accelerometer // Journal for Sensors. - Vol. 9. -2009. - P. 1330-1338.

10. Yi C., Hao-Chiao H., Chia-Wei L. Inductive COMS MEMS accelerometer with integrated variable inductors // IEEE. - 2016. - P. 974-977.

11. Libin H., Hui Y., Yang G., Liye Z., Jinxing L. Design and Implementation of a Micro-mechanical Silicon Resonant Accelerometer // Journal for Sensors. - Vol. 13. - 2013. - P. 15785-15804.

12. Ferrari V., Ghisla A., Marioli D., Taroni A. Silicon resonant accelerometer with electronic compensation of input-output cross-talk // Sensors and Actuators A 123-124. -2005. - P. 258-266.

13. Sonali B., Anup K. G. Design and Simulation of Piezoresistive MEMS Accelerometer for the Detection of pathological Tremor // IEEE. - 2014. - P. 1-5.

14. Garraud A., Combette P., Gosalbes J.M., Charlot B., Giani A. First High-G Measurement By Thermal Accelerometers // IEEE. - 2011. - P. 84-87.

15. Thomas M. A., Richard A. L. Introductory MEMS Fabrication and Applications // Springer book. - 2010. - P. 1-447.

16. Christian L. Sinusoidal Vibration // Wiley book. - Second Edition. - Vol. 1. - 2009. -P. 1-410.

17. John V. B. What is Random Vibration Testing? // Journal for Sound and Vibration. -2012. - P. 1-12.

18. Zach L., Gorge C. L. Random Vibration: Mechanical, Structural, and Earthquake Engineering Applications // CRC book. - 2015. - P. 1-661.

19. Allyson L. H., Mark G. S., Herbert R. S. MEMS Reliability // Springer MEMS Reference Shelf. - 2010. - P. 1-306.

20. Patrick L. W. Selecting Accelerometers for Mechanical Shock Measure-ments // Journal for Sound and Vibration. - 2007. - P. 14-18.

21. Hua J., H. Liang Y., Li Y., Zhang L. Analysis of solder shape parameters on the stress and strain of the solder joint in the random vibration // 2016 IEEE International Conference on Electronic Packaging Technology, China. - 2016. - P. 455-460.

22. Aung Thura, B. M. Simonov. Influence of random vibration on MEMS capacitive accelerometer // 2018 IEEE Conference of Russian Young Re-searchers in Electrical and Electronic Engineering, Moscow, Зеленоград, 2-4 февраля. - 2018. - P. 1595-1598.

23. Song T., Bin C., Zing J. F. Structural Fatigue Life Prediction Based on ANSYS Random Vibration Analysis // 4th Annual International Conference on Material Science and Engineering. - 2016. - P. 235-238.

24. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Влияние параметров конструкции актюаторов на чувствительность частототных микроактю-аторов // Известия вузов, ЭЛЕКТРОНИКА, Том 22, №4. - 2017. - С. 1-13.

25. Jing L., Shang F., Zhanshe G. Design and Analysis of Silicon Resonant Accelerometer // Research Journal of Applied Sciences 5(3). - 2013. - P. 970-974.

26. He G., Tang Y., Zhou C., He X., Wu Y. Novel Resonant Accelerometer with Micro Leverage Fabricated by MEMS Technology // Chinese Journal Of Mechanical Engineering. - Vol. 24. - 2011. - P. 1-6.

27. Xiao-Ping S. S. Compliant Leverage Mechanism Design for MEMS applications // A dissertation submitted in partial satisfaction of the require-ments for the degree of Doctor of Philosophy. - 2001. - P. 1-246.

28. Claudia C., Alberto C., Giacomo L., Antonio L., Alessandro T., Barbara S. A Resonant Microaccelerometer with High Sensitivity Operation in an Oscillating Circuit // Journal of Microelectromechanical Systems. - Vol. 19. - 2010. - P. 1140-1152.

29. Аунг Тхура. Анализ чувствительности частотных микроакселерометров // 7-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конфе-ренция, Зеленоград, 13-14 ноября. - 2014. - С. 144.

30. Аунг Т., Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Исследование Параметров Кремниевой Балки Микромеханического Резонансного Акселеромет-ра // Известия Вузов. ЭЛЕКТРОНИКА. - Том. 22, № 3. - 2017. - С. 276-284.

31. Badariah B., Burhanuddin Y. M. Suspension Design Analysis on the Performance of MEMS Area-changed Lateral Capacitive Accelerometer // IEEE. - 2004. - P. 335-339.

32. Wai-Chi W., Azid A. A., Majlis B. Y. Formulation of stiffness constant and effective mass for a folded beam // Arch. Mech., 62, 5. - 2010. - P. 405-418.

33. Tyler G. H. Civil Engineering Formulas // McGraw-Hill. - 2002. - P. 1-472.

34. Калугин В.В., Аунг Тхура, Чжо Мье Аунг, Тимошенков А.С. Исследование гибкости прямоугольной складчатой балки микромеханического акселерометра гребенчатого типа // Республика Крым, г. Алушта, 26-30 сентября. - 2016. - С. 494498.

35. Ferdinand P. B. Johnston E. R., John T. D., David F. M. Mechanics of Materials // McGraw-Hill. - Sixth Edition. - 2012. - P. 1-838.

36. https://www.comsol.com/model/residual-stress-in-a-thin-film-resonator-3d-477.

37. Jacob F. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs and Applications // Springer book. - Fourth Edition. - 2010. - P. 1-671.

38. Тимошенков С.П., Бойко А.Н., Симонов Б.М. Чувствительные элементы МЭМС: технология определяет параметры // Электроника: наука, технология, бизнес. -№1. - 2008. - C. 80-82.

39. Тимошенков С.П., Симонов Б.М., Бритков О.М., Анчутин С.А., Тимошенков А.С. Балансировка кремниевых датчиков угловой скорости в процессе изготовления // Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА, T. 20, №1. - 2015. - С. 58-67.

40. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Влияние параметров конструкции актюаторов на чувствительность частотных микроактюаторов // Известия вузов, ЭЛЕКТРОНИКА, Том 22, №4. - 2017. - С. 1-13.

41. Brian M. Vertically -Shaped Tunable MEMS Resonators // Journal of Microelectrome-chanical Systems, №1, Vol. 17. - 2008. - P. 85-92.

42. Wenjing Y., Subrata M., Noel C. M. Optimal Shape of an Electrostatic Comb Drive in Microelectromechanical Systems // Journal of Microelectromechanical Systems. - Vol. 7. - 1998. - P. 16-26.

43. Rana I. S., Imran R. C., Shafaat A. Bazaz., Muhammad J. H., Masood. U. H., Numerical Simulations of MEMS Comb-Drive using coupled mechanical and electrostatic analyses // IEEE. - 2005. - P. 334-349.

44. Springer Handbook. Microactuators for Dual-Stage Servo Systems in Magnetic Disk Files // Part 50. - 2006. - P. 1-37.

45. Bell D. J., Lu T. J., Fleck N. A., Spearing S. M. MEMS actuators and sensors: observations on their performance and selection for purpose // Journal of Micormechanic and Microengineering. - Vol. 15. - 2005. - P. 153-164.

46. http://www-personal.umich.edu/~btrease/share/Trease_Actuator_Report.pdf.

47. Ramod A. S., John W. J. Physics for Scientists and Engineers with modern Physics // eighth edition. - 2010. - P. 1-1558.

48. Ki B. L. Principles of Microelectromechanical Systems // IEEE press. - 2011. - P. 1681.

49. Gianluca P., Reza A., Gavin K. H., Farrokh A. Voltage-tunable piezoelectrically-trans-duced single-crystal silicon micromechanical resonators // Science direct, Sensors and Actuators A 111. - 2004. - P. 71-78.

50. John H. C., Michalicek M. A., Carole C. B. Characterization of Electro-thermal Actuators and Arrays Fabricated in a four-level, Planarized Sur-face-Micromachined Poly-crystalline Silicon Process // Sandia National Laboratories. - P. 1-5.

51. https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-777j-de-sign-and-fabrication-of-microelectromechanical-devices-spring-2007/lecture-notes/07lecture21.pdf.

52. Shefali G., Tanu P., Rakesh N., Prasad B., Dinesh K. Optimizing the Performance of MEMS Electrostatic Comb Drive Actuator with Different Flexure Springs // Excerpt from the Proceedings of the COMSOL confer-ence. - 2012. - P. 1-6.

53. Аунг Тхура, Чжо Мье Аунг, Тимошенков А.С. Исследование сцепле-ния и зазора прямоугольной формы гребенок для создания резонатора // межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспи-рантов, Зеленоград, 20-22 апреля. - 2016. - С.110.

54. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Исследование балочных резонаторов для частотных акселерометров с учетом термоупругого демпфирования и остаточного напряжения // Известия вузов, ЭЛЕК-ТРОНИКА, Том 23, №1. -2018. - С. 52-61.

55. Cornelius T. L., MEMS/NEMS Handbook Techniques and Applications // Vol. - 1, Springer, University of California. - 2005. - P. 264-338.

56. Aung T., Sergey T., Victor K., Kyaw M. A. The influence of internal fac-tors on the parameters of MEMS resonators // IEEE. - 2017. - P. 1205-1208.

57. Amy D., Rob N. C., Thomas W. K., Mathew V. Engineering MEMS Resonators with Low Thermoelastic Damping // Journal of Microelectromechanical Systems. - Vol. 15, №6. - P. 1437-1444.

58. Dileesh V. P., Salil S. K., Dnyanesh N. P. Analytical and numerical solu-tions for thick beams with thermoelastic damping // International Journal of Mechanical Sciences. -2015. - P. 1-27.

59. https://www.comsol.com/model/thermoelastic-damping-in-a-mems-resonator-1439.

60. Аунг Тхура. Влияние термоупругого демпфирования на параметры резонаторов частотных микроакселерометров // 24-ю Всероссийскую межвузовскую научно-техническую конференцию студентов и аспиран-тов: Микроэлектроника и информатика, Зеленоград: МИЭТ. - 2017. - С. 105.

61. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Исследование балочных резонаторов для частотных акселерометров с учетом термоупругого демпфирования и остаточного напряжения // Известия вузов, ЭЛЕК-ТРОНИКА, Том 23, №1. -2018. - С. 52-61.

62. Аунг Тхура, Симонов Б.М., Тимошенков С.П., Шилов В.Ф., Чжо Мьё Аунг. Исследование влияния температуры на работу резонатора частотного микромеханического акселерометра // Известия вузов, ЭЛЕКТРОНИКА, Том 23, №3. - 2018. - С. 268-276.

63. Вавилов В. Д., Тимошенков С. П., Тимошенков А. С. Микросистемные датчики физических величин: Монография в двух частях // Москва: ТЕХНОСФЕРА. -2018г. - С.550.

64. Ачильдиев В.М., Грузевич Ю.К., Солдатенков В.А. Информационные измерительные и оптико-электронные системы на основе микро-и нано механических

датчиков угловой скорости и линейного ускорения. Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 г, 260 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

УТВЕРЖДАЮ Проректор МИЭТ по учебной работе.

¡т/н„ профессор Игнатова И.Г.

г.

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

результатов диссертационной работы Аунга Тхуры «Исследование и моделирование функциональных характеристик чувствительного элемента микромеханического акселерометра для использования в условиях механических и температурных воздействий», специальность (05.27.06)

Результаты кандидатской диссертации Аунга Тхуры, посвященной разработке конструкции чувствительного элемента микромеханического акселерометра, устойчивого к воздействию механических и температурных внешних факторов, использованы в учебном процессе института НМСТ Национального исследовательского университета "МИЭТ" в лекционных и практических занятиях по дисциплинам "Исследование и анализ современного состояния и перспектив развития микросистемной техники (МСТ)", "Технологии изготовления изделий микросистемной техники (МСТ) на базе инновационных разработок", "Контроль и испытания микросистем".

Зам. директора института НМСТ, В.В. Калугин

профессор, д.т.н.

Ученый секретарь института НМСТ, доцент, к.т.н.

О.М. Бритков

а/ инки-я 2018 г-

|11 ООО "ЛМП", _А.В. Михеев

УТВЕРЖДАЮ Тех. директор

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертационной работы Аунга Тхуры на тему «Исследование и моделирование функциональных характеристик

чувствительного элемента микромеханического акселерометра для использования в условиях механических и температурных воздействий», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов элекгронной

Результаты кандидатской диссертации Аунга Тхуры, направленной на разработку конструкции чувствительного элемента микромеханического акселерометра, устойчивого к воздействию механических и температурных внешних факторов использованы в методике проверки параметров чувствительных элементов микромеханических акселерометров, внедрённой в производственную деятельность ООО "ЛМП".

техники (в приборостроении)

Ведущий инженер

А.М. Каменский