Персоналии

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.

• Просмотров: 1901 | Комментариев : 0

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.

• Просмотров: 957 | Комментариев : 0

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.

• Просмотров: 728 | Комментариев : 0

Для обеспечения надежной работы и стабильности параметров микромеханических акселерометров (ММА) необходимо учитывать различные виды паразитных воздействий на этапе проектирования структуры чувствительного элемента (ЧЭ) и конструкции датчика в целом, а также на этапах их жизненного цикла. Учет реальных условий эксплуатации датчиков является одной из основных проблем разработчиков. В работе исследовано влияние случайной вибрации на функционирование двухэлектродного ЧЭ ММА сэндвич-конструкции емкостного типа, принцип работы которого основан на изменении относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора при воздействии ускорения. В рассматриваемом ЧЭ ММА с одной осью чувствительности инерционная масса подвешена на складчатых пружинах и находится между двумя фиксированными электродами. С использованием программы Ansys рассчитаны деформации инерционной массы и изменения емкости в ЧЭ ММА, возникающие при воздействии на него ускорения до 5 g по рабочей оси и до 50 g по нерабочим осям, а также случайной вибрации по рабочей оси Х и по нерабочим осям Y и Z . Воздействующая на ЧЭ ММА случайная вибрация имеет профиль, частота которого составляет 20 Гц при 0,01 g /Гц, от 80 до 350 Гц при 0,04 g /Гц, 2000 Гц при 0,01 g /Гц. Рассчитаны изменения емкости в ЧЭ ММА в условиях воздействия на него случайной вибрации. Полученные результаты подтверждают работоспособность ЧЭ ММА в условиях значительных воздействий по нерабочим осям. Для использования в условиях воздействия случайной вибрации исследованная модель ЧЭ ММА требует дальнейшей доработки.

• Просмотров: 456 | Комментариев : 0

Обеспечение надежности функционирования МЭМС-устройств является важнейшей задачей, стоящей перед разработчиками. Ввиду разнообразия конструкций и используемых материалов в MЭМС-устройствах возможно возникновение различных механизмов отказа. Большинство подобных устройств содержит подвижные части конструкции. Усталостные свойства используемых конструктивных материалов и их старение при длительной повторяющейся циклической нагрузке могут привести к отказу, что непосредственно влияет на надежность устройства. В работе проанализированы усталостные свойства и надежность работы чувствительного элемента микромеханического акселерометра (ЧЭ ММА) сэндвич-конструкции емкостного типа, выполненного из кремния. Рассчитаны число циклов периодического воздействия для наступления отказа и интенсивность отказов ЧЭ ММА. Учтена кристаллографическая ориентация плоскости поверхности кремния - материала ЧЭ ММА. Результаты моделирования показали, что ЧЭ ММА, изготовленный из кремниевого материала, может быть достаточно прочным для приложений общего назначения.

• Просмотров: 322 | Комментариев : 0