Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Перспективным современным направлением научно-технического прогресса является микросистемная техника (МСТ). Сочетание традиционных технологий микроэлектроники и специальных технологических решений открывает микромеханическим приборам и системам (МЭМС) новые возможности и расширяет их области применения. Изделия МЭМС разрабатываются и изготавливаются множеством как российских, так и зарубежных фирм. Среди самых известных зарубежных производителей МЭМС, это такие компании как Analog Devices, EG&G, Lucas NovaSensor, Honeywell, Motorola, Redwood Microsystems, Texas Instruments, Sandia National Laboratories и многие другие. Российские производители представлены следующими организациями, это - ОАО НПП «Темп-Авиа» (г. Арзамас), АО РПКБ (г. Раменское), «Электроприбор» (г. С.-Петербург), ООО «Гирооптика» (г. С.-Петербург), НИИФИ (г. Пенза), «НИИ ФП» (г. Зеленоград), «НПК ТЦ МИЭТ» (г. Зеленоград), МИЭТ (г. Зеленоград) и некоторые другие. Изделия этих предприятий находят свое применение во множестве как технических, так и около технических областях: авиа- и автомобилестроение, военная техника, строительство, космическая отрасль, здравоохранение и многие другие.
Большой процент изделий МЭМС составляют датчики физических величин, среди которых важное место занимают датчики ускорений. Преимущества подобных датчиков, изготовленных по технологиям МСТ, являются: миниатюрность, низкое энергопотребление, ударо- и вибропрочность, низкая цена конечного изделия при массовом производстве. Все эти факторы говорят о том, что микроэлектромеханические датчики ускорения (ММДУ) имеют большой потенциал развития и использования в различных сферах деятельности человека.
Однако, не смотря на то, что развитие технологий микроэлектроники ускоряется с каждым годом, при получении микромеханического элемента требуемой геометрии существует множество проблем и нерешенных задач, таких как выбор оптимальной конструкции микромеханического элемента, определение необходимых параметров для соблюдения заданного частотного диапазона, исследование влияния геометрии на выходные характеристики и другое.
Таким образом, направление данной работы заключающееся в разработке микроэлектромеханического датчика ускорения, а так же в
исследовании технологических аспектов его создания с заданными диапазонами измерения, является современным и актуальным.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основной целью диссертационной работы является исследование конструкторско-технологических основ создания микроэлектромеханических датчиков ускорения, выбор оптимальной конструкции, исследование ее конструкторских параметров, исследование технологических аспектов производства микроэлектромеханических датчиков ускорения, проведение испытаний макетных образцов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:
исследовать различные типы микромеханических датчиков ускорения, сравнить их конструкторские и технологические характеристики для выбора наиболее оптимальной конструкции;
исследовать различные способы создания заданной конструкции микромеханического элемента, выбрать наиболее оптимальный;
исследовать и определить технологические режимы плазмохимического травления кремния;
разработать алгоритмы реализации технологических процессов герметизации МЭМС-устройств применительно к различным конструкциям корпусов, определить оптимальные технологические режимы и параметры процессов;
разработать методики измерения параметров микроэлектромеханических датчиков ускорения для анализа соответствия полученных характеристик датчиков с заданными требованиями.
-
-
Разработана модель чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика ускорения, позволяющая произвести расчет собственной частоты элемента, произвести модальный и статический анализ структуры.
-
Выбраны оптимальные режимы, позволяющие избежать неоднородности процесса плазмохимического травления кремния при создании элемента датчика.
-
Разработаны технологические режимы процесса соединения деталей микроэлектромеханического элемента датчика ускорения.
4. Разработаны методики измерения параметров преобразователей ускорения, среди которых статические характеристики, нелинейность выходных характеристик, долговременный дрейф.
-
-
-
Разработана методика измерения конструкторских параметров чувствительного элемента, а так же создана модель для исследования влияния изменений конструкции на характеристики чувствительного элемента.
-
Разработан технологический маршрут изготовления микроэлектромеханического датчика ускорения, проведен анализ и оптимизация параметров процесса плазмохимического травления с целью уменьшения разброса характеристик чувствительного элемента по краям пластины.
-
Разработана методика соединения кремниевого подвижного элемента и стеклянного основания с помощью термоэлектростимулированного сращивания.
-
Проанализированы существующие варианты технологии корпусирования и герметизации микроэлектромеханических устройств, а так же составлен и апробирован алгоритм корпусирования микромеханического элемента в металлостеклянные корпуса.
-
На основе разработанных технологий изготовлены и испытаны действующие макетные образцы МЭМС. Проведены измерения их параметров, значения которых соответствуют требованиям, предъявляемым к лучшим конкурентным изделиям МЭМС.
Результаты работы использованы при выполнении трёх НИР.
-
-
-
-
Разработанная с использованием программы ANSYS модель микроэлектромеханического датчика ускорения для расчета конструкторских параметров.
-
Технологический маршрут изготовления и сборки чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика ускорения, режимы выполнения технологических операций, входящих в состав данного маршрута.
-
Алгоритмы и режимы выполнения технологических процессов герметизации микроэлектромеханических устройств.
-
Методика измерения электромеханических параметров МЭМС- устройств.
5. Полученные экспериментальные зависимости для оценки параметров полученного датчика: а) статических характеристик, б) нелинейности выходных характеристик; в) долговременного дрейфа.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
-
-
-
-
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», Москва, МИЭТ, 2010г.
-
Международная научная школа для молодежи «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» - МИЭТ, 2010г.
-
4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2011г.», Москва, МИЭТ, 2011г.
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, МИЭТ, 201 1 г.
-
Международная конференция "Micro- and Nanoelectronics - 2012", Звенигород, 2012г.
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012», Москва, МИЭТ, 201 2г.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 12 работ, включая статьи в периодических изданиях и тезисы докладов на конференциях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Материал диссертации изложен на 123 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из 80 наименований.
Похожие диссертации на Конструкторско-технологические основы создания микроэлектромеханических датчиков ускорения
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
