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: 1900 | Комментариев : 0

В микроэлектромеханических приборах и системах резонаторы используются в конструкциях генераторов, датчиков инерциально-навигационных систем, СВЧ-приемопередатчиков и других устройств. В работе исследовано изменение собственной частоты характерных конструкций резонаторов из кремния с различной кристаллографической ориентаций под воздействием механической силы, представлены результаты моделирования в программе ANSYS. Исследовано влияние на собственные частоты резонатора термоупругого демпфирования, происходящего в результате механических колебаний, а также остаточного напряжения, возникающего в структуре резонатора вследствие различия технологий изготовления. Рассчитана добротность четырех типов конструкций резонаторов с помощью программы COMSOL. В результате проведенных исследований выбрана оптимальная конструкция резонатора для частотных акселерометров, у которых добротность больше. Даны рекомендации по выбору оптимальной конструкции резонатора и кристаллографической ориентации кремния для повышения чувствительности и стабильности параметров частотного микроакселерометра. Полученные результаты предполагается использовать в реальных конструкциях разрабатываемых микроэлектромеханических приборов.

• Просмотров: 2809 | Комментариев : 0

Частотный микромеханический акселерометр (ММА) используется для измерения ускорения на основе изменения частоты резонатора, которое возникает при воздействии ускорения в результате смещения инерционной массы. На его чувствительность могут влиять вибрационные шумы, температура и т.д. В работе с помощью расчета и моделирования в программе ANSYS исследовано влияние температуры на собственную частоту колебаний резонаторов частотных ММА различных конструкций. Показано, что в ряде конструкций резонаторов частотных ММА изменение частоты колебания ∆ f , вызванное повышением температуры, сопоставимо и даже превышает изменение частоты колебаний в результате воздействия ускорения. Установлено, что известные конструкции резонаторов, работающих на основе колебаний двухфиксированной балки, не обеспечивают стабильность собственной частоты колебаний при изменении температуры. У резонаторов, работающих на основе колебания консольной балки, частота практически не изменяется при повышении температуры. Наилучший результат с точки зрения температурной стабильности показал резонатор в виде консольной балки с балочным резонатором внутри нее, для которого изменение ∆ f  при повышении температуры до 70 °С составило всего 4 Гц. Исследование основного конструктива ММА, состоящего из инерционной массы с резонатором, выполненным в виде консольной балки с балочным резонатором внутри нее, показало неизменность собственной частоты колебаний этого конструктива при повышении температуры до 70 °С. При этом чувствительность составляла 130 Гц/g и не зависела от температуры.

• Просмотров: 1996 | 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: 956 | 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

В условиях повышения степени интеграции электронных компонентов, роста функциональности, плотности компоновки, а также снижения массы и габаритов электроники требуется комплексный подход к инженерным расчетам узлов и сборок современных технически сложных изделий микроэлектронной техники, разрабатываемых функционально. Особое значение приобретают инженерный расчет и моделирование конструкций с использованием систем автоматизированного проектирования, а также оценка влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на надежность и работоспособность изделий. В работе представлен подход к проведению инженерных расчетов и моделированию изделий микроэлектронной техники на основе метода конечных элементов, который обеспечивает комплексный учет влияния различных факторов (свойств материалов, воздействия внешних нагрузок, температурных полей и прочих параметров) на напряженно-деформированное состояние, механическую прочность, тепловой режим и другие характеристики изделий. На примере узлов и сборок изделий микроэлектронной техники показана аппроксимация конструкций и разработаны компьютерные конечно-элементные модели для изучения различных конструктивно-технологических вариантов изделий и воздействий на них. Проведены инженерные расчеты и моделирование узлов и сборок с учетом влияния свойств материалов, конструктивных параметров и внешних воздействий на характеристики изделий. Выработаны научно-технические рекомендации по оптимизации конструкций и конструктивно-технологические решения, обеспечивающие устойчивость изделий к различным воздействиям. Показано, что комплексный подход к инженерным расчетам и моделированию изделий микроэлектронной техники на основе метода конечных элементов обеспечивает определение оптимальных решений с учетом конструктивных, технологических, эксплуатационных факторов и позволяет разрабатывать изделия с высокими тактико-техническими и эксплуатационными характеристиками.

• Просмотров: 1373 | Комментариев : 0

Рассмотрены параметры известных МЭМС, показано перспективное построение систем ориентации на их основе. Исследовано влияние суммарной ошибки погрешностей измерительных систем на точность определения параметров движения объекта автономной системой ориентации.

• Просмотров: 1383 | Комментариев : 0

Для современных информационных, измерительных и оптико-электрон-ных систем на основе микро- и наномеханических датчиков угловой скорости и линейного ускорения актуальным является обеспечение их устойчивого функционирования при наличии внешних воздействующих факторов. В работе представлены результаты исследования воздействия случайной вибрации на характеристики микромеханических акселерометров (ММА), полученные с использованием вибростенда LDS V455. Зависимость спектральной плотности виброускорения от частоты одного из образцов, предназначенного для измерений ускорения в диапазоне до ±1,2 g, имеет заметное смещение от заданного ее профиля. Для установления причин такого несоответствия исследована конструкция чувствительного элемента (ЧЭ) ММА при воздействии случайной вибрации. Расчеты и моделирование выполнены в программе ANSYS. Определены деформации ЧЭ ММА по оси чувствительности Z и изменения емкости при воздействии ускорения и случайной вибрации по осям X , Y и Z с учетом кристаллографической ориентации материала ЧЭ - кремния. Рассмотрено влияние кристаллографической ориентации кремния, используемого для изготовления ЧЭ ММА, на деформацию (отклонение) ротора. Приведенные результаты теоретического и экспериментального исследований, а также компьютерного моделирования совпадают, что позволяет совершенствовать конструкцию ЧЭ ММА.

• Просмотров: 1056 | 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: 455 | Комментариев : 0

• Просмотров: 1489 | Комментариев : 0

С использованием методов зондовой диагностики плазмы исследован плазмохимический реактор ICP-типа. Проведена оценка плотности плазмы в области подложки при различных параметрах процесса. Измерены потенциал автоматического смещения на поверхности стеклянных подложек различной толщины, а также однородность распределения плотности ионного тока по диаметру пластины. Определен режим глубокого травления кремния с высокой однородностью по всей пластине.

• Просмотров: 1262 | Комментариев : 0

Представлены результаты разработки и исследования характеристик микрозеркального элемента, приводимого в движение тепловыми микроактюаторами. Показано, что для расчета стрелы прогиба микрозеркального элемента необходимо учитывать распределение температуры перегрева по длине элемента. Выполнен расчет температуры перегрева, определена эффективная температура перегрева и проведено сравнение полученных значений с экспериментальными данными.

• Просмотров: 1410 | 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

Проведено исследование влияния газового демпфирования на ширину полосы пропускания микроакселерометров маятникового типа. Установлено, что для увеличения ширины пропускания необходимо обеспечить остаточное давление внутри объема корпуса не более 1-5·10-1 мм рт. ст. Данное условие реализуемо с помощью разработанной технологии герметизации микроэлектромеханических приборов в металлостеклянных корпусах.

• Просмотров: 250 | Комментариев : 0

Изложены результаты исследования и разработки технологических процессов сборки и монтажа деталей МЭМС, использованные для изготовления работоспособных макетных образцов

• Просмотров: 1285 | Комментариев : 0

Исследованы возможности корректировки параметров микроэлектромеханических кольцевых датчиков угловой скорости с помощью балансировки, осуществляемой изменением массы отдельных сегментов кольца, и оптимизации внутрикорпусного давления в процессе изготовления таких приборов. Получены положительные результаты для опытных образцов. Предложен алгоритм реализации балансировки посредством изменения массы сегментов кольца, позволяющий уменьшить разность резонансных частот колебаний кольца в различных направлениях.

• Просмотров: 1447 | Комментариев : 0

При создании микромеханических резонансных акселерометров необходимо обеспечить высокую чувствительность прибора, которая непосредственно связана с амплитудой отклонения инерционной массы под действием ускорения. Увеличение инерционной массы приводит к повышению чувствительности датчика. Использование различных подвесов обеспечивает высокую чувствительность датчика при малых размерах инерционной массы. Представлена математическая модель прямоугольной складчатой кремниевой балки микромеханического резонансного акселерометра, получено соотношение для определения коэффициента жесткости складчатой пружины, применяемой в ряде конструкций микромеханических датчиков, приведены результаты расчета ее параметров. С помощью программы ANSYS проведено моделирование складчатой балки, подтвердившее результаты расчета. Результаты расчета коэффициента жесткости складчатой балки сравниваются с данными из других источников. Учет остаточного напряжения (до 100 МПа) показал снижение деформации балки на 2,92-3,7 % в зависимости от ориентации кремния. Использование складчатых балок компактных размеров позволяет повысить эффективность работы резонатора, добиться большего смещения в направлении воздействия ускорения и стабильности положения инерционной массы в других направлениях, учитывая гибкость и жесткость в разных направлениях.

• Просмотров: 2329 | Комментариев : 0

Электростатический актюатор применяется в конструкциях микромеханических акселерометров, гироскопов, вибромоторов и других приборов. Изменение величины зазора между гребенками ротора и статора разных форм влияет на электростатическую силу. В микроэлектромеханических датчиках актюатор гребенчатой конструкции используется для возбуждения колебаний резонатора. В работе получено уточненное уравнение для расчета электростатической силы актюатора гребенчатой и балочной конструкций. С помощью моделирования в программе ANSYS исследовано влияние величины перекрытия между зубцами гребенок на электростатическую силу и емкость, а также изменение частоты колебаний резонатора при воздействии силы. Аналогичные исследования выполнены для резонатора балочной конструкции. Применение как балочной, так и гребенчатой конструкции с малым перекрытием зубцов гребенок позволяет уменьшить паразитные электростатические силы (по осям y , z ) и повысить чувствительность частотного микроакселерометра за счет большего изменения частоты колебаний резонатора при воздействии силы.

• Просмотров: 2458 | Комментариев : 0

На образцах пластин КЭФ показано, что толщина оксидных плёнок и условия окисления поверхности оказывают сильное влияние на работу выхода электрона (РВЭ), измеренную в атмосферных условиях методом статического конденсатора с ионизированным промежутком. Установлено, что изменения РВЭ связаны с сорбированными парами воды, количество которых определяется структурой и свойствами оксидной плёнки. Изменения РВЭ в зависимости от типа оксидной пленки могут достигать ~ 20%.

• Просмотров: 1223 | Комментариев : 0

Рассмотрено одно из возможных схемотехнических решений для разработки емкостных преобразователей линейных ускорений с чувствительным элементом дифференциального типа. Приводятся результаты испытаний опытного образца на специализированном стенде.

• Просмотров: 1190 | Комментариев : 0