Моделирование и исследование характеристик кремниевых чувствительных элементов микромеханических акселерометров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Йе Ко Ко Аунг

• Йе Ко Ко Аунг
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Йе Ко Ко Аунг

Введение

Глава 1. Анализ микромеханических акселерометров и особенностей их изготовления

1.1 Основные принципы функционирования микромеханических сенсоров

1.2 Основные технологические процессы изготовления ММА

1.3 Влияние различных факторов на работу МЭМС акселерометра

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Разработка и исследование элементов подвеса инерционной массы ЧЭ ММА

2.1 Исследование изменения емкостей между электродами при воздействии линеиных ускорений

2.2 Исследование механических напряжений в элементах конструкции при воздействии ускорения

2.3 Исследование собственных частот колебаний ЧЭ ММА в результате действия ускорения

2.4 Исследование влияния температуры на ёмкость ЧЭ

2.5 Процесс изготовления чувствительного элемента емкостного акселерометра

2.6 Моделирование и исследование различных конструкций подвесов инерционной массы чувствительных элементов

2.6.1 Исследование конструкции элементов подвеса

2.6.2 Расчет конструкции подвесов ЧЭ ММА

2.6.3 Исследование остаточного механического напряжения в элементах

конструкции с подвесами разной конструкции при термоударе

2.6.4 Исследование остаточного механического напряжения в элементах

подвеса инерционной массы

2.7 Выводы по главе

Глава 3. Разработка и исследование конструкции ЧЭ, функционирующего на основе изменения диэлектрической проницаемости емкостной системы

3.2 Разработка конструкции емкостного чувствительного элемента с изменяющейся диэлектрической проницаемостью

3.2.1 Моделирование и исследование параметров конструкции с изменяющейся диэлектрической проницаемостью емкостной системы

3.2.2 Расчёт емкостной системы с изменяющйся диэлектрической проницаемостью межэлектродного пространства

3.2.3 Исследование собственных частот колебаний ЧЭ в результате действия ускорения

3.2.4 Исследование механических напряжений, возникающих в элементах конструкций

3.3 Исследование функционирования ЧЭ в условиях внешних воздействий

3.3.1 Исследование остаточного механического напряжения при воздействии случайной вибрации

3.4 Анализ усталостной прочности кремниевых микромеханических элементов86

3.5 Выводы по главе

Галава 4. Разработка и исследование конструкции с изменяющейся площадью перекрытия обкладок конденсатора

4.1 Разработка чувствительного элемента с изменяющейся площадью перекрытия электродов под действием ускорения

4.2 Разработка и исследование конструкции ЧЭ с наименьшими перемещениями подвижных элементов по паразитным перекрестным осям

4.3 Исследование изменение ёмкости гребенчатого ЧЭ при вибрации

4.4 Проектирование и моделирование ЧЭ с изменяющейся площадью перекрытия обкладок конденсатора

4.4.1 Анализ смещения инерционной массы ЧЭ с изменяющейся площадью перекрытия обкладок конденсатора при воздействии ускорения

4.4.2 Анализ изменений ёмкости в ЧЭ при воздействии ускорения

4.5 Разработка конструкции ЧЭ с дополнительными пружинами

4.5.1 Исследование ЧЭ с дополнительными пружинами в конструкции

4.6 Выводы по главе

Глава 5. Исследование работоспособности чувствительного элемента сэндвич-конструкции микромеханического акселерометра

5.1 Исследование выходных характеристик образцов ММА при воздействии синусоидальной вибрации

5.2 Исследования статических характеристик образцов ЧЭ ММА

5.3 Выводы к главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акт внедрения в учебный процесс

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Акт внедрения в научные работы

АЧХ

ИС

КНИ

ММА

МСТ

МЭМС

ОДГ

ЧЭ

ьюл

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

амплитудно-частотная характеристика

интегральная схема

кремний на изоляторе

микромеханический акселерометр

микросистемная техника

микро электромеханическая система

оптическая делительная головка

чувствительный элемент

литография и гальванопластика, формовка

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Термин Обозначение

Длина L

Диэлектрическая проницаемость

Деформация в направлении рабочей оси.х Дх

Деформация в направлении перекрестной оси (у, z ) Д(У, 2)

Ёмкость С

Изгибающий момент М

Индуцированный заряд

Коэффициент жесткости к

Коэффициент демпфирования Ь

Коэффициент Пуассона Ц

Инерционная масса т

Масштабный коэффициент К

Механическое напряжение а

Модуль Юнга Е

Напряжённость электрического поля между электродами Ео

Паразитная ёмкость Сп

Площадь А

Период времени циклического нагружения Т

Радиус изгиба элемента конструкции г

Сила Б

Толщина г

Ускорение а

Частота колебаний /

Число циклов №

Ширина w

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и исследование характеристик кремниевых чувствительных элементов микромеханических акселерометров»

Введение

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) представляют собой изделия, выполненные по инновационным технологиям, которые оказывают значительное воздействие на современный мир и проникает во множество аспектов нашей повседневной жизни. Эти микроминиатюрные устройства расширяют наше представление о сенсорах, актюаторах и многих других изделиях, используемых в различных областях.

Сегодняшний мир, во многом, зависит от МЭМС-технологий, они проникают в широкий спектр индустриальных изделий и разнообразных приложений от медицинских устройств и мобильных гаджетов до автомобильных систем безопасности, аэрокосмической техники и многих других производственных областей. Эта универсальность ставит МЭМС в центр внимания исследователей, инженеров и инноваторов во всём мире. Микроэлектромеханические системы (МЭМС) начали свой путь развития во второй половине 20 века. В 1960-1970-х годах первые исследователи и инженеры начали экспериментировать с реализациями идей создания микромасштабированных механических и электронных устройств. На ранних этапах были созданы простейшие МЭМС-устройства, такие как микромеханические переключатели, резонаторы и преобразователи давления [1]. В 1990-х годах произошел резкий скачок в развитии МЭМС -техники и технологии. Это было связано с появлением новых материалов и производственных методов, что позволило создавать сложные и высокоэффективные МЭМС-устройства. В это время были разработаны первые датчики давления, МЭМС-акселерометры, гироскопы и микроэлектронные механические переключатели. В начале 21 века МЭМС-технология развилась до уровня массового производства. Это привело к увеличению использования и доступности МЭМС-устройств, их внедрению во множество потребительских продуктов, включая мобильные устройства, автомобили и медицинское оборудование. Стали разрабатываться всё более сложные МЭМС-датчики, такие

как датчики окружающей среды и гибридные сенсорные устройства. Технологии сенсоров совершенствуются и меняются постоянно. МЭМС-устройства производятся с использованием новейших технологий. Современные МЭМС-технологии и конструкции отличаются от предшествующих развивающимися особенностями.

• Миниатюризация: Современные МЭМС-устройства становятся всё более миниатюрными и компактными. Это позволяет интегрировать их в устройства с ограниченным объёмом - в смартфоны и другие носимые устройства.

• Мультифункциональность: МЭМС-устройства часто обладают способностью измерять несколько параметров одновременно, например, гироскопы могут быть интегрированы с акселерометрами, датчиками давления и другими снгсорами.

• Применение в устройствах интеллектуальных и вычислительных микроэлектронных возможностей: МЭМС-датчики могут играть важную роль в современных системах искусственного интеллекта, в том числе в автономных подвижных объектах - автомобилях и робототехнике для решения навигационных и позиционных задач.

• Рост интернета вещей (IoT): МЭМС-устройства стали ключевыми компонентами в сети интернета вещей (IoT), где они используются для сбора данных и мониторинга окружающей среды.

Сегодня МЭМС-технологии и конструкции продолжают развиваться, и они остаются важной составной частью современной техники и технологии изделий микро- и наноэлектроники. На рисунке 1 представлены различные модели МЭМС-акселерометров от компании Analog Devices. Каждый из этих датчиков создан с учетом основных характеристик, которые соответствуют конкретным областям применения и уровням интеллектуальности и интеграции.

Рисунок 1 - Области применения МЭМС-акселерометров Analog Devices

По данным Yole Dévelopement [2], в период 2019-2024 гг. продажи МЭМС в стоимостном выражении увеличены на 8,3%, а в натуральном - на 11,9%. При этом большая доля их конечного использования приходиться на различные потребительские системы (более 60%). (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Распределение рынка MEMS по приложениям в 2018-2024 гг.

Микромеханические акселерометры (ММА) — это универсальные устройства широкого спектра применения, способные работать в различных экстремальных условиях, таких как высокие и низкие температуры, высокое давление, вибрация и другие внешние факторы. Существует широкий спектр МЭМС датчиков, включая акселерометры, построенные на различных принципах. Емкостные акселерометры имеют некоторые особенности и существенные преимущества, которые делают их важными и востребованными во многих областях, к которым можно отнести следующее.

• Высокая чувствительность: емкостные акселерометры могут обеспечивать высокую чувствительность к малым изменениям ускорения, что делает их подходящими для приложений, где необходимо измерить слабые колебания или вибрации.

• Низкий уровень шумов: они обычно обладают низким уровнем шума, что позволяет обнаруживать и фиксировать даже мельчайшие изменения параметров движения в окружающей среде, что важно для многих современных научно-технических задач.

• Широкий диапазон измерений: емкостные акселерометры могут работать в широком диапазоне измерений, от уровня, соответствующего исследованиям микрогравитации до высоких уровней ускорения - более десятков тысяч что делает их универсальными для решения разнообразных практически важных задач.

• Низкое энергопотребление: в сравнении с некоторыми другими типами акселерометров, емкостные акселерометры обычно потребляют меньшие энергии, что важно для портативных и автономных устройств.

• Компактные размеры: они могут быть произведены в очень компактных размерах, что позволяет интегрировать их в устройства с ограниченным объёмом.

• Надежность и долговечность: емкостные акселерометры долговечны и надежны на практике, что важно для реальных применений в аэрокосмической

технике, автомобильной промышленности и других важных отраслях, где требуется высокая степень надёжности и безопасности.

Для обеспечения точных измерений линейного ускорения при использовании элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС) в условиях различных воздействий и изменений температурного режима необходима разработка специализированных конструкций чувствительных элементов (ЧЭ) ММА. Важной частью этого процесса является изучение устойчивости конструкций к внешним факторам, а также проведение научных исследований, направленных на поиск оптимальных методов изготовления и инженерных расчетов элементов конструкций. Также необходимо обеспечить методическую поддержку на всех этапах исследований и измерений. Поэтому была выбрана актуальная тема данной диссертационной работы: «Моделирование и исследование харатеристик кремниевых чуствительных элементов микромеханических акселерометров».

Задачами разработки новых конструкций инерциальных приборов таких как гироскопы, микроакселерометры, системы навигации, ориентации, стабилизации и, в том числе, на основе МЭМС, а также технологиями их изготовления занимались многие ученые и научные коллективы, такие как ЦНИИ «Электроприбор», ОАО «НПО ГЕОФИЗИКА-НВ», АО «ЗНТЦ», АО «НИИ "Элпа"», ООО НПК «Оптолинк», АО «Ангстрем», АО "ГосНИИП", ООО «ЛМП», ФГБОУ ВО МАИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГУ, и т.д. Ученые и специалисты такие как В.Я. Распопов, С. Ф. Коновалов, В.Г. Пешехонов, В.М. Ачильдиев, Е.Н.Пятышев, В.А.Федоров, С.А.Жукова, Ю.Н.Коркишко, К.К.Веремеенко, Ю.А.Пономарев, Н.А. Парусников, А.А. Голован, О.А. Степанов, Ю.В.Филатов, О.С. Салычев, В.В. Матвеев и др. внесли существенный вклад в теорию и практику развития инерциальных приборов и систем.

В диссертационной работе проведен анализ конструкций и технологий изготовления микромеханических акселерометров. Разработаны различные конструкции чувствительных элементов емкостных микромеханических

акселерометров на основе сэндвич-конструкций, а также конструкций, использующих изменение относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика при воздействии ускорения. Проведены исследования и разработаны ЧЭ микромеханического акселерометра (ММА), функционирующего на основе изменения площади перекрытия обкладок емкостной конденсаторной системы.

Основной целью диссертационной работы является разработка конструкций кремниевых чувствительных элементов емкостных микроакселерометров, обеспечивающих устойчивость к воздействию механических и температурных внешних факторов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ и исследование различных вариантов конструкций чувствительных элементов микромеханических емкостных акселерометров.

2. Разработка конструкции кремниевого чувствительного элемента и элементов подвеса инерционной массы емкостного микромеханического акселерометра.

3. Исследование свойств и надежности работы чувствительного элемента ММА сэндвич-конструкции емкостного типа, выполненного из кремния.

4. Исследование параметров конструкций ЧЭ, использующих различные методы изменения ёмкости измерительной конденсаторной системы, для выделения информационного сигнала под действием ускорения.

5. Исследование влияния внешних воздействующих факторов на характеристики емкостных ММА.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Проведены исследования, моделирование и расчёты параметров функционирования чувствительного элемента ММА, выполненного из кремния, изучено изменение ёмкости между электродами сэндвич-конструкции конденсаторной системы под действием ускорения. Предложены конструкции

складчатых пружин для обеспечения высокой чувствительности к воздействию ускорения.

2. Разработана конструкция чувствительного элемента емкостного микроэлекромеханического акселерометра, функционирующего на основе изменения относительной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства конденсаторной системы при воздействии ускорения.

3. Рассчитаны величины остаточных механических напряжений, возникающих в различных конструкциях элементов подвеса инерционной массы ЧЭ ММА из кремния с различной кристаллографической ориентацией поверхности и толщиной от 40 до 120 мкм при воздействии температур в диапазоне от -40 до +120оС за интервал времени 10 с. Установлено, что существенным фактором влияния на величину остаточного механического напряжения в ЧЭ ММА является кристаллографическая ориентация кремния, использованного в качестве конструктивного рабочего материала.

4. Разработана конструкция чувствительного элемента ММА, функционирующего на основе изменения площади перекрытия конденсаторной системы, в которой обеспечиваются минимальные отклонения подвижного элемента под действием ускорения по перекрестным паразитным осям. Конструкция обеспечивает новый подход для получения более высоких характеристик, минимизации влияния на работу ЧЭ смещений по паразитным перекрестно расположенным осям.

5. Проведены исследования усталостных свойств и надежности работы чувствительных элементов ММА сэндвич-конструкции емкостного типа, промоделированы их функциональные и эксплуатационные характеристики. Установлено влияние кристаллографической ориентации кремния на срок службы складчатых пружин и количество циклов внешнего механического воздействия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

1. Разработанные методики оценки устойчивости экспериментальных образцов емкостных ММА к внешнему синусоидальному вибрационному воздействию использованы в учебном процессе Института НМСТ МИЭТ.

2. Разработана конструкция ЧЭ со складчатыми элементами подвеса-пружинами с высокой чувствительностью к воздействию ускорения по основной измерительной оси и слабой чувствительностью к воздействиям по неосновным паразитным осям.

3. Рассчитаны собственные частоты колебаний различных конструкций ЧЭ ММА с элементами подвеса в виде складчатых пружин с прямоугольным изгибом, с круглым изгибом и прямых балок. Исследованы конструкции ЧЭ из кремния с ориентацией поверхности (100), (110), (111) и толщиной элементов подвеса от 40 до 120 мкм. Получены параметры разнообразных конструкций ЧЭ ММА с различными частотами колебаний подвижных элементов.

4. Разработаны и апробированы методики оценки устойчивости емкостного микроэлекромеханического акселерометра, функционирующего на основе изменения относительной диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства конденсаторной системы под действием ускорения.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Максимальное количество циклов до отказа при действии ускорения 500g по оси чувствительности Х (1.16х 1029) выдерживает складчатая пружина ЧЭ из кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (100), а механическое напряжение, возникающее в ней меньше, чем для складчатых пружин из кремния с другими кристаллографическими ориентациями поверхности (111) и (110).

2. Рассчитанная усталостная долговечность чувствительных элементов из кремния (1.16х 1026 с) разработанного ММА свидетельствует о длительном сроке его функционирования и возможности изготовления и широкого применения

подобных конструкций микромеханических элементов, в том числе с длительным сроком эксплуатации.

3. Разработанная сэндвич-конструкция ЧЭ с элементами подвеса позволяет обеспечить высокую чувствительность ММА к воздействию ускорения за счёт использования конструкций складчатых пружин. Изменение емкостей в конденсаторной системе разработанного ЧЭ под действием ускорения по рабочей измерительной оси почти в 20 раз больше, чем изменения емкостей по другим (не рабочим) осям.

4. Использование складчатых пружин позволяет создавать конструкции ЧЭ ММА с малым изменением ёмкости при изменении температуры окружающей среды. При изменении температуры от -40оС до +80оС изменение ёмкости в разработанной конструкции по рабочей оси составляет от ±0,0025пФ до 0,003пФ, что свидетельствует о хорошей температурной стабильности работы ЧЭ.

5. Использование шести подвесов инерционной массы в разработанной конструкции по сравнению с четырьмя подвесами обеспечивает уменьшение смещений электродов емкостной системы по паразитным перекрестным осям, сохраняя при этом высокую чувствительность по главной измерительной оси.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. 25-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: «Микроэлектроника и информатика - 2018», Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2018 г.

2. 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Moscow, Zelenograd, MIET, 2019г.

3. 26-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция: «Микроэлектроника и информатика - 2019», Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2019г.

4. 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Moscow, Zelenograd, MIET, 2020г.

5. 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Moscow, Zelenograd, MIET, 2021г.

6. 2021 International Seminar on Electron Devices Design and Production (SED), Prague, Czech Republic, 2021г.

7. 2023 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, 2023г.

8. Российский форум «Микроэлектроника 2023» Предконференция №2, Зеленоград, 2023г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации отражено в 15 опубликованных работах, в том числе в 5 статьях в ведущих научных журналах, входящих в утвержденный ВАК перечень, в 7 материалах конференций, включенных в международную реферативную базу данных SCOPUS, и в 3 материалах Всероссийских конференций.

Реализация результатов работы

Результаты данной диссертационной работы позволили создать новые

конструкции ММА, оказали положительное влияние на учащихся, проходящих

практику в Институте НМСТ, обеспечили положительное восприятие нового

научного материала по МЭМС учащимися, связанными с такими дисциплинами,

как " Физико-химические основы структур кремний на изоляторе",

"Технологические и защитные среды для производства изделий микро- и

наноэлектроники". Программы этих дисциплин включают в себя часть

материалов, представленных в рамках данной диссертации.

Результаты данной диссертационной работы используются в научно-

технических работах, выполняемых в институте НМСТ НИУ МИЭТ.

Результаты выполненных исследований были успешно представлены в

научных статьях и докладах на научно-технических конференциях, а также

используются в образовательном процессе, реализуемом в Федеральном

16

государственном автономном образовательном учреждении высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники'", что подтверждается соответствующими актами.

Глава 1. Анализ микромеханических акселерометров и особенностей их изготовления

1.1 Основные принципы функционирования микромеханических сенсоров

По принципу функционирования МЭМС можно разделить на пьезорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные, туннельные, резонансные, электромагнитные, термопарные, оптические, индуктивные, полевые и многие другие. Сенсоры и актюаторы, изготавливаемые на основе МЭМС технологий функционируют на основе одинаковых принципов, но иногда используются комбинации принципов. Например, при разработке перспективных сложных систем (датчиков угловой скорости - микрогироскопов) для раскачки подвижных элементов могут использовать электростатический метод, а для измерения могут применить оптические методы. Технология микросистемной техники похволяет использовать различные методы в зависимости от назначения и особенностей конструкции приборов.

Пьезорезистивные акселерометры функционируют на основе пьезорезистивного эффекта, при котором сопротивление материала меняется в зависимости от приложенного напряжения. Обычно чувствительные элементы (ЧЭ) состоят из инерционной массы и участка с резистором из легированного кремния (или другого материала), встроенного в поверхность деформирующейся при воздействии ускорения. Эти акселерометры, по сути, представляют собой традиционные резистивные тензодатчики, в которых деформация/напряжение, измеренное по изменению сопротивления сенсорным элементом с помощью моста Уитстона, преобразуется в ускорение [3]. Пьезорезистивные акселерометры характеризуются значительной температурной зависимостью результатов измерений и относительно высоким уровнем шума [4]. Принцип работы пьезорезистивного чувствительного элемента датчика проиллюстрирован на рисунке 1.1(а,б). Подобный чувствительный элемент

может быть использован для датчика давления, а если в центре мембраны чувствительного элемента разместить соответствующую инерционную массу тогда он может быть использован и для изготовления акселерометра.

Рм-.т-гнгм У-гиг^нплг

т

МгыЬпн-ш ГЬ ЕЭ011 гтпг п гр МРСЕ У|ЕЕСТ«1П ■ Ш1Г1.К:Н1Г

В-хсонэ-с МЛРРЯОПШ!

(а)

(б)

Рисунок 1.1 - К принципу работы пьезорезистивного чувствительного элемента датчика давления/ускорения (а), четырехлепестковая мембрана в сочетании с пьезорезистивными элементами, инерционной массой и мостом

Уитстона (б).

Пьезоэлектрические акселерометры используют пьезоэлектрический эффект, наблюдаемый в некоторых кристаллах, керамике и других материалах. В состав пьезоэлектрического акселерометра входит микромеханическая конструкция с инерционной массой и пьезоэлектрическим элементом. Приложенное ускорение вызывает в пьезоэлектрическом элементе напряжение [5]. Подобные устройства обладают высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном измерений, но они не могут измерять неизменные

значения ускорения [6,7]. На рисунке 1.2 показана конструкция пьезоэлектрического частотного резонансного микроакселерометра [8].

Рисунок 1.2 - Устройство пьезоэлектрического частотного резонансного микроакселерометра [8]

Электронно-туннельные акселерометры — еще одна относительно новая разновидность конструкции акселерометров. Эти устройства используют явление туннелирования, которое успешно используется в туннельных микроскопах [9]. Такие акселерометры, по мнению разработчиков, перспективны и имеют низкий уровень шума, всего 20 нг/кварт (Гц), но только для динамического диапазона до 0,5 g и при очень низком давлении 1,33 Па. Схема измерений, используемая в туннельном акселерометре, показана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Схема измерений туннельного акселерометра [9]

Механическая структура оптического акселерометра Quad Beam [10] состоит из одной центральной массы (инерционной массы) и четырех внешних балок (пружин), как показано на рисунке 1.4 (а). Подобные конструкции с

20

четырьмя балками имеют низкую механическую чувствительность к укорениям по нерабочим осям. Однако они имеют более высокие собственные частоты колебаний и, кроме того, перемещение массы одинаково во всех участках при ускорениях в направлении оси z из-за симметрии конструкции. Таким образом, инерционная масса движется вертикально при ускорении в направлении оси z. Волноводная оптическая конструкция, расположенная на инерционной массе, также смещается перпендикулярно устройству без всякого наклона при ускорении по оси z. Волновод располагается на инерционной массе акселерометра и измеряя оптическое порпускание можно расчитать линейное ускорение. Этот волновод самосогласован с входным и выходным волноводами на кремниевой рамке чипа (см. рисунок 1.4 (а)). Принцип работы оптического акселерометра проиллюстрирован на рисунке 1.4.

Ьрп и ■ ¡1 V пгфпЛл

(а) (б)

Рисунок 1.4 - Устройство чувствительного элемента оптического акселерометра: вид сверху (а), вид сбоку (б) [10]

На рисунке. 1.5 представлена конструкция резонансного акселерометра [11]. При отсутствии входного ускорения два резонатора колеблются на своей собственной частоте в режиме противофазной вибрации. Как только возникает ускорение вдоль оси чувствительности, резонансная частота двух резонаторов изменяется дифференциально, и разность частот двух резонаторов служит измерительным параметром ускорения.

Рисунок 1.5 - Конструкция резонансного акселерометра [11]

Емкостные акселерометры MEMS используют изменение ёмкости конденсаторной стсемы под действием ускорения, что является одним из наиболее широко используемых методов [12]. Чувствительный элемент емкостного ММА гребенчатой конструкции состоит из гребенчатых подвижных и неподвижных электродов, подвижной инерционной массы и складчатых пружин. Когда инерционная масса перемещается, зазоры между электродами меняются, изменяя ёмкость конденсаторной системы. Емкостные акселерометры обладают очень хорошей стабильностью параметров в условиях изменения температуры. Они могут быть изготовлены в миниатюрных размерах, иметь низкое энергопотребление и хорошую чувствительность к постоянному ускорению. Одна из конструкций ЧЭ емкостного акселерометра гребенчатого типа показана на рисунке 1.6. Сравнение различных типов микроакселерометров представлено на рисунке 1.7.

Рисунок 1.6 - Конструкция чувствительного элемента емкостного акселерометра гребенчатого типа

22

Ганы акте.кроищн*

Прэшушгстт

Еыихтнда

ОПППГЗЛЙ

Чмпигный

Пдофгшсгнишй

* кеыос ркревэог

* кшм ушшишюпг

♦ шиа^иха артз

»гажш иг тай

|ШП|и>

♦ цх«лаи -а.^ииг

»л* ил: т* о

впяи

♦ ■шошгечкеп

«

япиЛ »питал!

* гр>пш КИТГГ1Ш1

♦ иг>мл гмфлшгааа

шток

♦ •ЫСОШ ГММ.П

♦ кшм тийю ль к

ГШШКС11

тли ««тпшшп

♦ им миммсп

♦ СиааМ) '«ьэлшА

завит юигаш! •

Л)

♦

Ныюсшш

♦ шхш шрош гит »цилпи »сэпсгг т^^иаетакга апю

♦ -су.< дд сиыотшвм

В-я сгстЛ ярбящ

Унт ашжсссп с?

вглшкш ттарпр!

♦ [саш ршпи

11!1Ш1И<ЙТЯ

♦ |»гУ>ии пА»Л) I щв

>Ч41^1П1Ю1 ткет л н>лш»ан( антши серкопп ипоа

♦ 'кви'тгк ТПИНС.Т.

♦ Ымьят —»рмжт»! джиявв миидочы

■> Чж ни- ч.мшттчжп пи шюямсафэттзап»

Рисунок 1.7 - Сравнение преимуществ и недостатков, некоторых типов

акселерометров.

Емкостные микроакселерометры являются наиболее распространенными, однако и другие типы микроакселерометров имеют свои достоинства и предоставляют интересные возможности для разработки новых перспективных устройств, используемых в различных технических и индустриальных областях, а также в области медицины, биологии, геологоразведки и т.д.

1.2 Основные технологические процессы изготовления ММА

Во многих процессах производства МЭМС используются методы группового производства, при которых одновременно обрабатывается множество сенсоров, иногда на нескольких пластинах, а также применяется

микроэлектронное оборудование и инфраструктура, аналогичные тому, которое используется при производстве интегральных микросхем. Благодаря существующей микроэлектронной технологии может быть реализовано производство МЭМС с меньшими затратами и повышенной надежностью по сравнению с производством единичных датчиков. МЭМС обычно потребляют меньше энергии, обладают меньшими массогабаритными показателями, могут быть более прочными и обладать повышенным быстродействием.

Методы микромеханической обработки MEMS позволяют создавать трехмерные (3D) микроразмерные структуры и различные элементы на поверхности подложки (обычно кремниевой) или внутри нее. В некоторых случаях микрообработка представляет собой использование модифицированных процессов производства ИС в сочетании с другими процессами, такими как глубокое травление, химическое осаждение из паровой фазы, гальваническое покрытие, методы сращивания и т.д. Широко известны некоторые методы изготовления МЭМС такие как: - поверхностная микрообработка, объемная микрообработка, LIGA - литография и гальванопластика. На рисунке 1.8 представлены фотографии продуктов каждого из этих методов микрообработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Йе Ко Ко Аунг, 2024 год

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Abdullah Saleh Algamili, Mohd Haris Md. Khir, John Ojur Dennis. A Review of Actuation and Sensing Mechanisms in MEMS-Based // Spinger - 2021. - P. 1-21.

2. https://www.yolegroup.com/player-interviews/the-piezoelectric-blessing-is-bestowed-upon-many-mems-devices-an-interview-with-robert-bosch/

3. Marco Messina, James Njuguna, John Chrysovalantis Palas. Mechanical Structural Design of a MEMS-Based Piezoresistive Accelerometer for Head Injuries Monitoring: A Computational Analysis by Increments of the Sensor Mass Moment of Inertia// Sensors- 2018. - P. 1-16.

4. F. Mohd-Yasin, D.J. Nagel, D.S. Ong, C.E. Korman, H.T. Chuah. Low frequency noise measurement and analysis of capacitive micro-accelerometers// Science Direct-Microelectronic Engineering- 2007. - P. 1788-1791.

5. Маринушкин Павел Сергеевич. Разработка и исследование датчиков угловой скорости с улушенными метрологическими харатеристиками для

приборов контроля параметров движения и деформации обьектов// Диссертация -2014

6. Felix Levinzon. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics// Springer International Publishing- 2015. - P. 1-41.

7. Ankesh Todi, Hakhamanesh Mansoorzare, Sina Moradian, Reza Abdolvand. High Frequency Thin-Film Piezoelectric ResonantMicro-Accelerometers with A Capacitive MassSpring Transducer// 2020 IEEE SENSORS - 2021.

8. Min-Ku Lee , Seung-Ho Han , Kyu-Hyun Park , Jin-Ju Park , Whung-Whoe Kim , Won-Ju Hwang , Gyoung-Ja Lee. Design Optimization of Bulk Piezoelectric Acceleration Sensor for Enhanced Performance// Sensors (Basel) -2019. Jul 31. - P. 1-10.

9. М.А. Денисенко, , А.С. Исаева. Интеградьный Микромеханический Туннельный Акселерометр на основе управляемой самоорганизации механически напряженных полупроводниковых слое// Электроника и нанотехнологии- 2018. - P. 26-33.

10. Balasubramanian Malayappan. Narayan Krishnaswamy. Prasant Kumar Pattnaik. Novel High-Resolution Lateral Dual-Axis Quad-Beam Optical MEMS Accelerometer Using Waveguide Bragg Gratings// Photonics- 2021. - P. 1-18.

11. Zhengxiang Fanga, Yonggang Yinb, Chen Chena, Shujuan Zhanga, Yunfeng Liua, Fengtian Han. A sensitive micromachined resonant accelerometer for moving-base gravimetry// Scidence Direct (Sensors and Actuators A: Physical) ; Vol. 325, -2021. - P. 1-9.

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

13. William D, Mert S, Giles J SOI bonded wafer process for high precision MEMS inertial sensors// Journal of Micromechanics and Microengineering- 2005. - P. 15881593.

14. Chen S, Chien HT, Lin JY, Hsu YW. A method of fabricating MEMS accelerometers// Proceedings of the international conference on electronic materials and packaging- 2008. - P. 22-24.

15. Dong Y, Zwahlen P, Nguyen AM, Frosio R, Rudolf F. Ultra High precision MEMS accelerometer// Proceedings of the 16th international conference solid-state sensors, actuators and microsystems (TRANSDUCERS) - 2011. - P. 695-698.

16. D B Xiao, Q S Li, Z Q Hou, X H Wang. A novel sandwich differential capacitive accelerometer with symmetrical doublesided serpentine beam-mass structure// Journal of Micromechanics and Microengineering- 2015. - P. 1-10.

17. A Basu, G G Adams, N E McGruer. A review of micro-contact physics, materials, and failure mechanisms in direct-contact RF MEMS switches// Journal of Micromechanics and Microengineering - 2017. - P. 1-20.

18. Test Measurement Sensor Catalog// http://endevco.com/contentStore/MktgContent/Endevco/uploads/2019/08/EDV-Catalog Lowres.pdf

19. Igor E. Lysenko, Alexey V. Tkachenko , Olga A. Ezhova, Boris G. Konoplev, Eugeny A. Ryndin, Elena V. Sherova. The Mechanical Effects Influencing on the Design of RF MEMS Switches// Electronics (MDPI) - 2020. - P. 1-26.

20. Yanxi Zhang, Gang Yang, Chengchen gao, Yilong Hao. A MEMS sandwich differential capacitive silicon-on-insulator accelerometer// Microsyst Technol (2013) TECHNICAL PAPER - 2013. - P. 1249-1254.

21. Йе Ко Ко Аунг, Аунг Тхура, Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Параметры чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. -№ 3. - С. 257-266.

22. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Исследование балочных резонаторов для частотных акселерометров с учетом термоупругого демпфирования и остаточного напряжения. Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА: — №23(1), 2018, с. 52-61.

23. Калугин В.В., Анчутин С.А., Кочурина Е.С., Головинский М.С., Шалимов А.С. Оценка работоспособности чувствительного элемента преобразователя линейных ускорений и расчет основных параметров // ПРИБОРЫ. Приборы и средства автоматизации, №9 (219), 2018, с. 1-5.

24. Timoshenkov S., Kalugin V., Anchutin S., Kochurina E. Simulation of the sensitive elements of the micro-accelerometer with the software product ANSYS // Proceedings of International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2018». 2018. IC MNE. IC Micro- and nanoelectronics. Book of Abstracts. October 1th-5th, 2018.Moscow, Zvenigorod, Russia. P1-23. P.95.

25. Тимошенков С.П., Калугин В.В., Анчутин С.А., Зарянкин Н.М., Кочурина Е.С. Особенности конструкции и технологии изготовления чувствительного элемента микроакселерометра // Сборник тезисов международного форума «Микроэлектроника 2018». 4-я Международная научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули», Алушта. 01 -06 октября 2018 г., М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018, с.425-426.

26. T. J. Anderson, A. H. Nayfeh, B. Balachandran. Coupling between high-frequency modes and a low-frequency mode: Theory and experiment// Nonlinear Dynamics volume 11- 1996. - P. 17-36.

27. P. Peng, W. Zhou, and H. Yu. 11. A study of partial layout of adhesive on the thermal drift of MEMS capacitive accelerometers// International Journal of Modern Physics B, 2017, 31(7)

28. Иванов С.Ю., Жукова С.А., Обижаев Д.Ю., Турков В.Е., Ульянов С.А. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра компенсационного типа // Наноиндустрия. Спецвыпуск 2020 ^,том 13(99), АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА», 2020. - 706 с., с. 479 -480.

29. Fatemeh Edalatfar, Bahareh Yaghootkar, Abdul Qader Ahsan Qureshi, Soheil Azimi, Behraad Bahreyni. Design, Fabrication and Characterization of a High Performance MEMS Accelerometer // IEEE // Sensors Conference, Orlando, FL, USA- 2017. - P. 1-3.

30. Kimberly Turner, Peter Hartwell. Experimental Characterization Techniques for Micro/Nanoscale Devices// Springer Handbook of Nanotechnology- 2007. - P. 16391662.

31. Atsushi Kazama, Takanori Aono, and Ryoji Okad. High shock-resistant design for wafer-level-packaged three-axis accelerometer with ring-shaped beam. Journal of Microelecromechanical System- 2018. - P.1-9.

32. Аунг Тхура. Влияние термоупругого демпфирования на параметры резонаторов частотных микроакселерометров // 24-я Всероссийская межвузовская науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика». М.: МИЭТ, 2017. С. 105.

33. Йе Ко Ко Аунг, Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Моделирование и исследование различных типов подвесов инерционной массы в чувствительных элементах микромеханических приборов // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 5. С.440-451.

34. Waichi W., Azid A.A., Mailis B.Y. Formulation of stiffness constant and effective mass for a folded beam in MEMS accelerometer // Archives of Mechanics -2010. - P.405-418.

35. Girija Sravanil K., Koushik Guha, Srinivasa Rao K. Design and analysis of serpentine flexure based RF MEMS switch for high isolation with low pull in voltage // Spinger. Transactions on Electrical and Electronic Materials Vol. 20-2018 - P. 154164.

36. Yuming Mo, Lianming Du, BingBing Qu, Bo Peng, Jie Yang. Squeeze film air damping ratio analysis of a silicon capacitive micromechanical accelerometer // Microsystem Technology. -2017. -Vol. 24. - No.2. - P. 1089-1095.

37. Ye Ko Ko Aung, Aung Thura, Boris M. Simonov, Sergey P. Timoshenkov, Zaw Min Oo. Study of Parameters and Characteristics of MEMS Capacitive Accelerometer with Vertical Overlap Comb Drive Construction // IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), MIET - 2019. -P.1941-1945.

38. Wei Li, Xiaofeng Zhou, Jian Wu, Youling Lin, Ze Wang. A MEMS Accelerometer with Double-sided Symmetrical Folded-beams on Single Wafer // IEEE // Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (April 9-12, 2017, Los Angeles, USA). - 2017. - P.194-198.

39. Hadi Tavakoli, Hadi Ghasemzadeh Momen, Ebrahim Abbaspour Sani, Designing a New High Performance 3-Axis MEMS Capacitive Accelerometer // IEEE // 25th Iranian Conference on Electrical Engineering (lCEE) (2-4 May 2017). - 2017. - P. 519-522.

40. Йе Ко Ко Аунг, Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Моделирование чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра с учетом изменения диэлектрической проницаемости // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 2. С. 155-166.

41. Badariah Bais, Burhanuddin Yeop Majlis, Senior Member. Structure Design and Fabrication of an Area-changed Bulk Micromachined Capacitive Accelerometer // IEEE // International Conference on Semiconductor Electronics -2007. - P. 29-34.

42. Badariah Bais, Burhaanuddin Yeop Majlis. Mechanical Sensitivity Enhancement of an Area-Changed Capacitive Accelerometer by Optimization of the Device Geometry// Springer Science // Analog Integrated Circuits and Signal processing -2005. - Vol. 44(2). - P. 175-183.

43. Halit Eren and Wei Ling Kong,"Capacitive Sensors—Displacement", Displacement Measurement, Linear and angular, 1999, CRC Press LLC, - P -38

44. Capacitance and Dielectrics // Massachusetts Institute of Technology Capacitors: (mit.edu) -P. 1-46.

45. https://myslide.ru/presentation/skachat-emkostnye-preobrazovateli-lekciya-12

46. Mikhailov M.A, Manoilov V.V, " Over view of methods for measuring small movements in the application of the automatic regulation system of SPM scanners, SCIENTIFIC INSTRUMENT, Volume 23, No. 2 - 2013. - P. 27-37.

47. D. M. Tanner, J. A. Walraven, K. Helgesen et al. MEMS reliability in shock environments// 2000 IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 38th Annual. San Jose, CA: IEEE- 2000. -P. 129-138.

48. D. M. Tanner, J. A. Walraven, K. S. Helgesen et al. MEMS reliability in vibration environments// 2000 IEEE International Reliability Physics Symposium Proceedings. 38th Annual. San Jose, CA: IEEE- 2000. -P. 139-145.

49. Йе Ко Ко Аунг, Симонов Б. М., Тимошенков С. П. Исследование функционирования чувствительного элемента микромеханического акселерометра сэндвич-конструкции емкостного типа в условиях паразитных воздействий по нерабочим осям и случайной вибрации // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 1. С. 68-79.

50. А. С. Афанасьев, В. М. Полушкин, В. А. Соболев и др. Влияние внешней воздействующей вибрации на микроэлектромеханические системы акселерометры// Лесной вестник. Forestry Bulletin. 2019. Т. 23. № 5. С. 138-141.

51. Полушкин В. М., Сиряченко Н. А. Вопросы контроля функциональных параметров микроэлектромеханических преобразователей параметров движения // Научно-технический сборник. Мытищи: 22 ЦНИИ МО РФ, 2008. № 60. С. 2328.

52. Liang Z., Lee G. C. Random vibration: Mechanical, structural, and earthquake engineering applications. Boca Raton, FL; London; New York: CRC Press, 2015. XXVIII, -P. 630.

53. Aung Thura, Simonov B. M. Influence of random vibration on MEMS capacitive accelerometer // 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. Moscow: IEEE, 2018. P. 1595-1598.

54. Йе Ко Ко Аунг, Симонов Б. М., Тимошенков С. П. Анализ усталости и оценка числа циклов воздействия до выхода из строя чувствительного элемента микромеханического емкостного акселерометра // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 2. С. 240-247.

55. M. Illston, J. M. Dinwoodie, and A. A. Smith, "Concrete, Timber and Metals", Van Nostrand Reinhold, Crystal City, VA, 1979.

56. Stark B. (ed.) MEMS reliability assurance guidelines for space applications. Pasadena, CA, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 1999 -P. 285.

57. Connally J. A., Brown S. B. Slow crack growth in single-crystal silicon. Science, 1992, vol. 256, no. 5063- 2018 - P.1537-1539.

58. Xingguo Xiong, Yu-Liang Wu, and Wen-Ben Jone. Material Fatigue and Reliability of MEMS Accelerometers // IEEE International Symposium on Defect and Fault Tolerance of VLSI Systems -2008 - P. 314-322.

59. Bagdahn J., Sharpe Jr. W. N. Fatigue of polycrystalline silicon under long-term cyclic loading. Sensors and Actuators A: Physical, 2003, vol. 103, - P. 314-322.

60. S. Kavitha, R. Joseph Daniel, K. Sumangala. Design and analysis of MEMS comb drive capacitive accelerometer for SHM and seismic applications. Measurement // ScienceDirect-vol 93 -2016 - P. 327-339.

61. Donald J. Milligan and Brian D. An ultra-low noise MEMS accelerometer for seismic imaging// SENSORS, 2011 IEEE -2011.

62. Badariah Bais, Burhanuddin Yeop Majlis. Low-g Area-changed MEMS Accelerometer Using Bulk Silicon Technique// American Journal of Applied Sciences 5(6) -2008 - P. 626-632.

63. Wenjie Wu, Panpan Zheng , Jinquan Liu, Zhu Li, Ji Fan, Huafeng Liu, Liangcheng Tu. High-Sensitivity Encoder-Like Micro Area-Changed Capacitive Transducer for a Nano-g Micro Accelerometer// Sensors -2017 - P. 1-15.

64. Xianshan Dong, Shaohua Yang, Junhua Zhu, Yunfei En, Qinwen Huang. Method of Measuring the Mismatch of Parasitic Capacitance in MEMS Accelerometer Based on Regulating Electrostatic Stiffness// Micromachines -2018 - P. 1-8

65. Kalyan Kumar ,Siddhartha Sen .Design of an SOI-MEMS high resolution capacitive type single axis accelerometer // Springer -2010- P. 2057-2066.

66. Zakriya Mohammed, Ibrahim (Abe) M. Elfadel, Mahmoud Rasras .Monolithic Multi Degree of Freedom (MDoF) Capacitive MEMS Accelerometers // Micromachines-2018 - P. 2-20.

67. Zakriya Mohammeda, Ghada Dushaqa, Aveek Chatterjeeb, Mahmoud Rasrasa . An optimization technique for performance improvement of gap-changeable MEMS accelerometers//Mechatrnic-2018 - P. 1-14.

68. Ravi Sankar. J. Grace Jency. S. Das. Design, fabrication and testing of a high performance silicon piezoresistive Z-axis accelerometer with proof mass-edge-aligned-flexures// Microsyst Technol-2012- P. 9-23.

69. Baoqing Li, Deren Lu, Weiyuan Wang. Micromachined accelerometer with area changed capacitance// Mechatronics 11- 2000 - P. 811-819.

70. Аунг Тхура. Исследование и моделирование функциональных характеристик чувствительного элемента микромеханического емкостного акселерометра для использования в условиях механических и температурных воздействий// Диссертация- 2018.

71. Nuh Sadi YUKSEK. MEMS Energy Harvesters with a Wide Bandwidth for Low Frequency Vibrations// Диссертация- 2015.

72. В.В.Аврутов.Испитания Инерциальных Приборов// НТУУ <<КПИ им. Игоря Сикорского>> 2016- С. 1-203.

73. Чжо Мьо Аунг. Разработка конструкторско-технологических способов создания микроэлектромеханического датчика угла наклона// Диссертация-2018.

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акт внедрения в учебный процесс

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Акт внедрения в научные работы