Совершенствование микромеханических акселерометров актуально в связи с расширением областей их применения и использованием подобных приборов в жестких условиях эксплуатации. В работе исследованы сэндвич-конструкции чувствительного элемента (ЧЭ) микромеханического акселерометра со складчатыми пружинами с точки зрения обеспечения высокой чувствительности к воздействию ускорения, стойкости к изменениям температуры и остаточным механическим напряжениям в конструктивных элементах при относительной простоте технологии их изготовления. Моделирование выполнено в программе ANSYS. Зазоры между подвижным и неподвижными электродами увеличены по сравнению с аналогами до 20 мкм. Показано, что высокая чувствительность к изменениям ускорения обеспечивается за счет оптимизации конструкции ЧЭ, использования складчатых пружин с пониженными значениями коэффициента жесткости. Установлено, что изменение емкости под действием ускорения по рабочей оси Z почти в 20 раз больше изменения емкостей по осям X и Y . Выяснено, что влияние температуры в пределах от -40 до +85 ºC на изменения емкостей по рабочей оси Z несущественно и не превышает ±0,003 пФ. Механические напряжения, которые возникают в конструктивных элементах ЧЭ при ускорении до 50 g, не превышают 2,29 МПа, в то время как кремний имеет прочность 440 МПа. Установлено, что собственная частота колебаний второй моды ЧЭ микромеханического акселерометра не влияет на собственную частоту колебаний ЧЭ по первой моде из-за существенного различия этих частот примерно на 2 кГц. Анализ показал, что исследованные сэндвич-конструкции ЧЭ характеризуются высокой чувствительностью и стабильностью параметров при относительной простоте изготовления.
Йе Ко Ко Аунг
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Аунг Тхура
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
1.Mansour Keshavarzi, Javad Yavand Hasani. Design and optimization of fully differential capacitive MEMS accelerometer based on surface micromachining // Microsystem Technologies. – 2018. –Vol. 25. – No. 4. – P. 1369–1377.
2. 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 Sys-tems (April 9-12 2017, Los Angeles, USA). – 2017. – P. 194–198.
3. Yanxi Zhang, Gang Yang, Chengchen gao, Yilong Hao. A MEMS sandwich differential capacitive silicon–on-insulator accelerometer // Microsystem Technologies. – 2013. – Vol. 19. – No. 8. – P. 1249–1254.
4. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Исследование коэффициента жестко-сти кремниевых балок микромеханических резонансных акселерометров // Изв. вузов. Электроника. – 2017. – Т. 22. – № 3. – С. 276–284.
5. Аунг Тхура, Симонов Б.М, Тимошенков С.П. Исследование балочных резонаторов для частотных акселерометров с учетом термоупругого демпфирования и остаточного на-пряжения // Изв. вузов. Электроника. – 2018. – Т. 23. – № 1. – С. 52–61.
6. Тимошенков С.П., Тимошенков А.С, Вавилов В.Д. Микросистемные датчики фи-зических величин: монография: в 2 ч. – М.: Техносфера, 2018. – 550 с.
7. 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.
8. Особенности конструкции и технологии изготовления чувствительного элемента микроакселерометра / С.П. Тимошенков, В.В. Калугин, С.А. Анчутин и др. // Сб. тез. 4-й Междунар. науч. конф. «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» (Алушта, 01–06 окт. 2018 г.). – М.: Техносфера, 2018. – С. 425–426.
9. Timoshenkov S., Kalugin V., Anchutin S., Kochurina E. Simulation of the sensitive el-ements of the micro-accelerometer with the software product ANSYS // Proc. of International Conference «Micro- and Nanoelectronics – 2018» (October 1–5, 2018, Moscow, Zvenigorod, Russia). – 2018. – P.95.
10. Keya Sanyal, Kalyan Biswas. Structural design and optimization of MEMS based capac-itive accelerometer // IEEE/ Devices for Integrated Circuit (23–24 March 2017). – 2017. – P. 294–298.
11. Peng P., Zhou W., Yu H. A study of partial layout of adhesive on the thermal drift of MEMS capacitive accelerometers // International Journal of Modern Physics B. – 2017. – Vol. 31. – No. 7. – P. 740–744.
12. Yang B., Kan B.X., Xu Y.X., Hu Q.H. Research status and development trend of silicon resonator accelerometer // Navigation and Control. – 2017. – Vol. 16. – No. 4. – P. 96–106.