Для обеспечения надежной работы и стабильности параметров датчиков необходимо учитывать воздействие внешних факторов уже на этапе проектирования конструкции датчика, особенно его чувствительного элемента, и на последующих этапах жизненного цикла. Важнейшими элементами конструкции чувствительного элемента, в частности емкостного микромеханического акселерометра, являются подвесы, с помощью которых инерционная масса соединяется с неподвижной рамкой. В работе исследованы характерные конструкции элементов подвеса, выполненных из кремния с различной кристаллографической ориентацией, представлены результаты моделирования их важнейших параметров. Моделирование выполнено с использованием программы ANSYS. Рассчитаны собственные частоты колебаний инерционной массы, остаточные механические напряжения в элементах конструкции чувствительного элемента микромеханического акселерометра при ударе (до 10 000 g). Исследованы изменения собственной частоты колебаний и остаточного механического напряжения в элементах подвеса при изменении температуры от +150 до -150 °С за короткий интервал времени (10 с), что соответствует термическому удару. Результаты проведенных исследований остаточных механических напряжений, возникающих при ударе, и собственных частот колебаний инерционной массы позволили выработать рекомендации по выбору конструкции подвесных элементов из кремния, обеспечивающих высокую чувствительность и стабильность параметров микромеханического акселерометра. Установлено, что использование складчатых пружин с прямоугольной или круглой формой сечения при толщине элементов подвеса 40 мкм обеспечивает наибольшую температурную стабильность параметров. Полученные результаты полезны при разработке реальных конструкций микромеханических акселерометров и других микромеханических приборов.
Йе Ко Ко Аунг
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
1. Hong Lianjin, Fang Erzheng. Model of frequency characteristics of capacitive accelerometers // IEEE International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. 2010. P. 668–670.
2. 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). 2017. P. 519–522.
3. Karbari Sudha R. Kumari Uttara, Pasha Roshan C. Gowda Vikas K. Design and analysis of serpentine based MEMS accelerometer // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1966. P. 194–198.
4. Design, fabrication and characterization of a high performance MEMS accelerometer / Fatemeh Edalatfar, Bahareh Yaghootkar, Abdul Qader Ahsan Qureshi et al. // Sensors Conference, Orlando, FL, USA 2017.
P. 1–3.
5. 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.
6. Atsushi Kazama, Takanori Aono, Ryoji Okad. High shock-resistant design for wafer-level-packaged three-axis accelerometer with ring-shaped beam // Journal of Microelecromechanical System. 2018. Vol. 27. P. 1–9.
7. Исследование влияния температуры на работу резонатора частотного микромеханического акселерометра / Аунг Тхура, Б.М. Симонов, С.П. Тимошенков и др. // Изв. вузов. Электроника. 2018. Т. 23. №3. С. 268–276.
8. Avinash Kamble, Siddheshwar Khillare. Comparative study of different flexures of MEMS accelerometers // International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2015. Vol. 4. P. 22–25.
9. Waichi W., Azid A.A., Mailis B.Y. Formulation of stiffness constant and effective mass for a folded beam // Archives of Mechanics. 2010. Vol. 62(5). P. 405–418.
10. Wai Chi Wong, Ishak Abdul Azid, Burhanuddin Yeop Majlis. Theoretical analysis of stiffness constant and effective mass for a round-folded beam in MEMS accelerometer // Journal of Mechanical Engineering. 2011. Vol. 57. P. 517–525.
11. Балансировка кремниевых датчиков угловой скорости в процессе изготовления / С.П. Тимошенков, Б.М. Симонов, О.М. Бритков и др. // Изв. вузов. Электроника. 2015. Т. 20. № 1. С. 58–67.
12. 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. 2018. Vol. 20. P. 154–164.