1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2020-25-2-155-166531.768Микро- и наносистемная техникаSimulation of a Sensitive Element of a Sandwich Structure of a Capacitive Micromechanical Accelerometer Based on the Dielectric Constant ChangesМоделирование чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра с учетом изменения диэлектрической проницаемости Йе Ко Ко АунгЙе Ко Ко АунгKoYe KoYe Ko KoСимонов Борис МихайловичСимоновБорис МихайловичSimonovBoris M.Boris M. SimonovТимошенков Сергей ПетровичТимошенковСергей ПетровичTimoshenkovSergey P.Sergey P. TimoshenkovНациональный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия155166http://ivuz-e.ru/issues/2-_2020/modelirovanie_chuvstvitelnogo_elementa_sendvich_konstruktsii_emkostnogo_mikromekhanicheskogo_akseler/

In high-efficient MMA-accelerometers the capacitive principle of measurement is used. In addition, in this connection a low level of noises and energy consumption, economical efficiency and reliability are provided. The capacitive sensitive elements, based on changing the clearance, require, as a rule, the control with feedback, which increases the complexity of the measurement circuit and energy consumption. The capacitive sensitive elements with changing the area of the electrodes overlapping have a good linearity of the capacitance dependence on movement and large range of measurements, but their fabrication is more complicated. In the paper a model of a sensitive element of a microelectromechanical capacitive accelerometer with sandwich construction has been presented and analyzed. The operation of the sensitive element is based on using the changes in the relative permittivity of the dielectric capacitors due to the introduction of a moving inertial mass between the moving capacitor electrodes under the action of acceleration. As a result, there is a change of capacitance in the output measuring circuit. It has been shown that the model considered provides high sensitivity to acceleration, resistance to temperature changes and low residual mechanical stress in the sensitive element. Modeling and calculations have been performed with using the Ansys and SolidWorks programs. It has been obtained that the movement of movable mass along the axis of sensitivity X 5 times exceeds the movement of the movable mass along the non-working axes, and the capacitance changes between the electrodes along the X-axis is 2500 times greater than the capacitance changes between the electrodes on the non-working axes Z and Y. The calculations have shown that for all values of acting acceleration (up to 30 g) the mechanical stress in the sensitive element is significantly less than the strength limit of silicon, equal to 440 MPa. It has been determined that the temperature variations in the range from -40 to +85 C have led to insignificant changes of capacitance along the working axis (0.0025 - 0.003pF). This demonstrates the temperature stability of work of the sensitive element. The analysis has shown that the developed and studied model of the sensitive element sandwich construction provides the high sensitivity of MMA accelerometer and stability of its parameters.

При использовании емкостного принципа измерения в высокопроизводи-тельных микромеханических акселерометрах обеспечиваются низкий уровень шумов и энергопотребления, экономическая эффективность и надежность. Емкостные чувствительные элементы на основе изменения зазора между электродами, как правило, требуют управления с обратной связью, что повышает уровень сложности измерительной схемы и энергопотребление. Емкостные чувствительные элементы с изменением площади перекрытия электродов имеют хорошую линейность зависимости емкости от перемещения и большой диапазон измерений, но изготовить их труднее. В работе представлена и исследована модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции микромеханического акселерометра емкостного типа, функционирование которого основано на использовании изменения относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсаторов за счет введения подвижной инерционной массы между электродами конденсаторов, перемещающейся под действием ускорения. В результате происходит изменение емкости в выходной измерительной цепи. Показано, что рассматриваемая модель обеспечивает высокую чувствительность к воздействию ускорения, стойкость к изменениям температуры и низкое остаточное механическое напряжение в чувствительном элементе. Моделирование и расчеты выполнены с применением программ Ansys и SolidWorks. Получено, что перемещение подвижной массы по оси чувствительности X более чем в 5 раз превышает перемещение подвижной массы по нерабочим осям, а изменение емкости между электродами по оси X почти в 2500 раз больше, чем изменения емкостей между электродами по нерабочим осям Z и Y . Расчеты показали, что при всех значениях воздействующего ускорения (до 30 g) механическое напряжение в чувствительном элементе значительно меньше предела прочности кремния, равного 440 МПа. Установлено, что вариации температуры от -40 до +85 С приводят к незначительным изменениям емкости по рабочей оси (0,0025-0,003 пФ). Это свидетельствует о температурной стабильности работы исследованного чувствительного элемента микромеханического акселерометра. Результаты анализа показали, что разработанная и исследованная модель чувствительного элемента сэндвич-конструкции обеспечивает высокую чувствительность микромеханического акселерометра и стабильность его параметров.

сэндвич-конструкциячувствительный элемент емкостного микромеханического акселерометраотносительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика конденсаторов  Squeeze film air damping ratio analysis of a silicon capacitive micromechanical accelerometer / Yuming Mo, Lianming Du, BingBing Qu et al. // Microsystem Technology. 2017. Vol. 24. No.2. P. 1089–1095.URL: https://www.springerprofessional.de/en/squeeze-film-air-damping-ratio-analysis-of-a-silicon-capacitive-/12354388 (дата обращения: 10.10.2019). Study of parameters and characteristics of MEMS capacitive accelerometer with vertical overlap comb drive construction / Ye Ko Ko Aung, Aung Thura, B.M. Simonov et al. // IEEE. Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow: MIET, 2019. P. 1941–1945.URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8657070 (дата обращения: 10.10.2019). A MEMS accelerometer with double-sided symmetrical folded-beams on single wafer / Wei Li,Xiaofeng Zhou, Jian Wu et al. // IEEE. Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (9–12 April 2017,Los Angeles, USA). 2017. P. 194–198. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8017004 (дата обращения: 10.10.2019). 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. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7985093 (дата обращения: 10.10.2019). A MEMS micro-g capacitive accelerometer based on through-silicon-wafer-etching process / Kang Rao, Xiaoli Wei, Shaolin Zhang et al. // Micromachines. 2019. Vol. 10. No. 6. P. 1–14. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6630974/ (дата обращения: 10.10.2019). Liu H., Pike W.T., Dou G. Design, fabrication and characterization of a micro-machined gravity gradiometer suspension // IEEE. SENSORS (November 2014, Valencia, Spain). 2014. P. 2–5. URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6985327 (дата обращения: 10.10.2019). Йе Ко Ко Аунг, Аунг Тхура, Симонов Б.М.,Тимошенков С.П. Параметры чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра // Изв. вузов. Электроника. 2019. T. 24. № 3. C 257–266. 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 (02 July 2007, Kuala Lumpur, Malaysia). 2007. P. 29–34. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/4266564 (дата обращения: 10.10.2019). 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. No. 2. P. 175 – 183. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s10470-005-2598-6 (дата обращения: 10.10.2019). Xingguo Xiong, Lidong Qiang, Linfeng Zhang, Junling Hu. MEMS dual axis accelerometer withH-T shape structure // Spingerlink. New Trends in Networking, Computing, E-learning, Systems Sciences, and Engineering (08 November 2014). LNEE, 2014. Vol. 312. P. 291–298. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-06764-3_36 (дата обращения: 10.10.2019). Тимошенков С.П., Тимошенков А.С., Вавилов В.Д. Микросистемные датчики физических величин: монография: в 2 ч. М.: Техносфера, 2018. 550 с. Оценка работоспособности чувствительного элемента преобразователя линейных ускорений и расчет основных параметров / В.В. Калугин, С.А. Анчутин, Е.С. Кочурина и др. // Приборы. 2018. №9 (219). С. 1–5.