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" 10.24151/1561-5405-2019-24-3-257-266531.768Микро- и наносистемная техникаParameters of Sensitive Element of Capacitive Micromechanical Accelerometer with Sandwich ConstructionПараметры чувствительного элемента сэндвич-конструкции емкостного микромеханического акселерометра Йе Ко Ко АунгЙе Ко Ко АунгKoYe KoYe Ko Ko Аунг ТхураАунг ТхураTkhuraAungAung TkhuraСимонов Борис Михайлович СимоновБорис Михайлович MikhaylovichSimonov BorisSimonov Boris MikhaylovichТимошенков Сергей ПетровичТимошенковСергей ПетровичTimoshenkovSergey P.Sergey P. TimoshenkovНациональный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия257266http://ivuz-e.ru/issues/3-_2019/parametry_chuvstvitelnogo_elementa_sendvich_konstruktsii_emkostnogo_mikromekhanicheskogo_akseleromet/

An improvement of micromechanical accelerometers (MMA) is relevant due to the constant expansion of their applications and the use of such devices in increasingly demanding conditions. In the paper the sandwich designs of the sensitive element (SE) of a capacitive micromechanical accelerometer (MMA) with folded springs have been studied from the point of view of ensuring the high sensitivity to acceleration, resistance to temperature change and the presence of residual mechanical stresses in the structures while providing the relative simplicity of their manufacturing technology. The modeling has been executed in ANSYS program. The gaps between the movable and stationary electrodes are increased compared to analogs up to 20 microns. It has been shown that the high sensitivity to changes of the acceleration is provided due to the optimization of the sensitive element design, using folded springs with lower values of stiffness coefficient. It has been determined that the capacity change under the action of acceleration along the working axis ( Z ) is almost 20 times more than changes in capacity along axes X and Y and the effect of temperature in the range of -40 ºC to 85 ºC on changes in capacitances along the working axis ( Z ) is small ±0.0025 - 0.003 pF. The mechanical stresses, which occur in constructive elements of the sensitive element under acceleration to 50 g, do not exceed 2.29 MPa, while silicon has strength 440 MPa. The natural frequency of oscillation of the second mode of the sensitive MMA does not affect the natural frequency of oscillation of the first mode of the sensitive element due to a significant difference of these frequencies approximately by 2 kHz. The analysis has shown that the studied sandwich constructions are characterized by high sensitivity and stability of parameters with relatively simple manufacturing.

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.

сэндвич-конструкция чувствительного элементаемкостной микромеханический акселерометрскладчатые пружины 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.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.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.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.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.Тимошенков С.П., Тимошенков А.С, Вавилов В.Д. Микросистемные датчики фи-зических 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.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.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.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.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.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.