Введение к работе
Актуальность работы.
В современном мире микроэлектромеханические системы (МЭМС) являются перспективным направлением развития электроники.
Устройства на основе МЭМС широко применяются в различных сферах жизни: в бытовой технике, медицине, игровых системах, автомобилестроении, авиастроении, аэрокосмической технике, при мониторинге метеоусловий. С помощью МЭМС-устройств повышают функциональные возможности бытовой техники и электронной аппаратуры.
Спрос на устройства на основе МЭМС-технологий связан с их основными
достоинствами: многофункциональность, малое энергопотребление,
надежность и высокая стойкость к внешним воздействиям, микроразмеры и низкая стоимость, совместимость технологии производства с процессами, применяемыми при производстве интегральных схем.
Одним из главных направлений развития МЭМС является создание и
исследование сенсоров линейных ускорений. Микромеханические сенсоры
линейного ускорения представляют собой сложные системы с
чувствительными элементами, микромеханическими узлами, электрическими схемами, которые заключены в одном корпусе и имеют размеры порядка нескольких микрон. Для МЭМС-сенсоров массового потребления важным параметром является низкая себестоимость, а к приборам специального назначения предъявляются требования относительно высоких рабочих характеристик.
К настоящему моменту на рынке широко представлены одно- и двухосевые сенсоры линейных ускорений, так же стали появляться трехосевые сенсоры от ведущих зарубежных компаний, которые представляют собой два или три устройства, выполненные на одной подложке в одном технологическом цикле. Для уменьшения размеров и себестоимости конечных изделий необходимо применять трехосевые сенсоры, представляющие собой единую конструкцию с одним или двумя чувствительными элементами.
Таким образом, задача по разработке трехосевых микромеханических сенсоров линейного ускорения, позволяющих регистрировать линейные ускорения по трем осям одним чувствительным элементом, является актуальной для российского микроэлектронного приборостроения. Решение этой задачи позволит достичь улучшения параметров работы устройств на основе микросистем и обеспечения конкурентоспособности российских устройств на мировом рынке. Данную задачу возможно решить при помощи методик проектирования, основанных на новых математических моделях и
конструктивно-технологических решений.
Состояние вопроса
На сегодняшний день мировой рынок МЭМС предлагает широкий выбор акселерометров с различными характеристиками. По сравнению с первыми моделями, в современных акселерометрах улучшена производительность, снижен уровень шума, увеличен диапазон частот и ускорений, в конструкции используются двухосевые сенсоры, вместо одноосевых.
Сенсоры линейных ускорений классифицируются по широкому набору параметров: по способу преобразования сигнала, по виду движения инерционной массы, количеству осей чувствительности и т.д. Но конкретная модель сенсора линейных ускорений, как и технология изготовления, должны быть определены исходя из решаемой задачи, так как области применения сенсоров разных видов различны.
Несмотря на то, что в российских и зарубежных компаниях постоянно
ведутся исследования в сфере МЭМС-сенсоров, усовершенствуются
оборудование, процессы производства и проектирования, при создании трехосевых акселерометров сохраняется тенденция совмещения одноосевого и двухосевого сенсоров на одном чипе. При таком подходе производимые сенсоры выполняют свои функции, т.е. позволяют получить требуемую информацию о движении объекта. При этом размеры и масса конечного устройства могли бы быть меньше, если бы вместо двух сенсоров использовался бы один трехосевой сенсор.
Таким образом, анализ мирового и отечественного уровня показывает, что разработка многоосевых микромеханических акселерометров соответствует кругу важных вопросов микроэлектроники на мировом уровне. Разработка трехосевых сенсоров линейного ускорения позволит снизить массу, размеры и стоимость устройств на их основе.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка методики
проектирования, конструкций, технологического маршрута изготовления и математических моделей многоосевых микромеханических сенсоров линейных ускорений.
Решение следующих задач способно обеспечить достижение поставленной цели:
1. Провести обзор существующих литературных источников,
описывающих многоосевые микромеханические сенсоры линейных ускорений, функциональные возможности и конструктивные
решения, применяемые при проектировании данных сенсоров;
-
Разработать конструкции, обладающие более высокими функциональными характеристиками, чем существующие аналоги, и исследовать их характеристики;
-
Разработать математические модели разработанных конструкций многоосевых микромеханических сенсоров линейных ускорений.
-
Разработать библиотеку микрофрагментов многоосевых микромеханических сенсоров линейных ускорений.
-
Разработать методику проектирования многоосевых микромеханических сенсоров линейных ускорений на основе библиотеки микрофрагментов.
-
Изготовить экспериментальные образцы сенсоров линейных ускорений.
Методы исследования
Методы исследования базируются на принципах компьютерного
моделирования, методах конечно-элементного анализа, теоретической
механике, электротехнике.
Научная новизна работы
-
Предложены критерии расчета коэффициентов жесткости упругих подвесов чувствительного элемента, позволяющие рассчитывать жесткости чувствительного элемента сенсора по осям чувствительности с учетом типов его упругих подвесов и устанавливающие закономерности влияния изменения длин балок различных типов упругих подвесов на общую жесткость чувствительного элемента сенсора вдоль осей чувствительности.
-
Разработана математическая модель чувствительного элемента сенсора, позволяющая рассчитывать линейные перемещения инерционной массы и упругих подвесов конструкции при воздействии линейных ускорений по трем осям с учетом конфигурации упругих подвесом чувствительных элементов и расположения емкостных преобразователей перемещений.
-
Предложены критерии равенства собственных частот колебаний сенсора линейных ускорений, учитывающие оригинальные конфигурации его упругих подвесов, позволяющие добиться равенства собственных частот по трем осям чувствительности, что позволяет получить одинаковый отклик чувствительного элемента сенсора на внешнее воздействие по осям чувствительности, и установить равные для каждой оси предельные условия, при которых нарушается режим работы сенсора.
Практическая значимость
-
Разработана методика проектирования микромеханических сенсоров линейных ускорений на основе библиотеки микрофрагментов, регистрирующих линейные ускорения по трем осям чувствительности одним сенсорным элементом;
-
На основе предложенной методики проектирования микромеханических сенсоров разработаны и защищены патентами Российской Федерации на изобретения конструкции сенсоров линейных ускорений, обладающие более высокими функциональными характеристиками, по сравнению с аналогами, за счет регистрации линейных ускорений по трем осям чувствительности одним сенсорным элементом;
-
На основе математических моделей разработаны и защищены свидетельствами Российской Федерации о государственной регистрации программ для ЭВМ программные средства, позволяющие рассчитывать основные параметры микромеханических сенсоров;
-
Разработан технологический маршрут изготовления микромеханических сенсоров линейного ускорения, позволяющий изготавливать данное устройство в едином технологическом маршруте с другими устройствами МЭМС и интегральными схемами (ИС);
-
На основе предложенной методики проектирования и математических моделей разработаны и защищены свидетельствами Российской Федерации о государственной регистрации топологий интегральных микросхем топологии экспериментальных образцов микромеханических сенсоров с тремя осями чувствительности;
-
Изготовлены экспериментальные образцы микромеханических сенсоров линейных ускорений с тремя осями чувствительности;
7. Результаты проведённых исследований и предложенные
математические модели могут быть использованы как методическая база при
проектировании многокомпонентных микросистем.
Положения, выносимые на защиту
-
Конструкции и технологический маршрут изготовления трехосевых интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений.
-
Математические модели трехосевых интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений.
-
Методика проектирования трехосевых интегральных микромеханических сенсоров линейных ускорений на основе библиотеки микрофрагментов.
Внедрение результатов работы
-
Разработанные методика для проектирования МЭМС и математические модели были использованы в учебном процессе по направлениям подготовки бакалавров 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и магистров 11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств»;
-
Результаты работы внедрены в ЗАО «НТ-МДТ», ООО «Центр нанотехнологий», НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ;
-
Полученные в диссертации результаты были использованы при выполнении проектов:
Соглашение о предоставлении субсидии №14.575.21.0045 от 30.06.2014г. «Разработка методов проектирования и создания перспективных многоосевых интегральных микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров с использованием плазменных и лазерных технологий поверхностной микрообработки для микрооптоэлектромеханических систем», шифр RFMEFI57514X0045, 2014-2016гг, Министерство образования и науки.
Проект базовой части госзадания №1155 «Разработка и исследование методов построения многоосевых функционально-интегрированных микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений», 2015-2016гг.
Инициативный научный проект фундаментального характера №ВнГр-07/2017-10 в рамках реализации внутреннего гранта ЮФУ из средств "Программы развития Южного федерального университета до 2021 года". Сроки реализации 2017-2020.
Договор №40234ГУ/ 2018 о предоставлении гранта на выполнение научно-исследовательских работ и оценку перспектив коммерческого использования результатов в рамках реализации инновационного проекта «Разработка инерциальной навигационной системы на основе микро- и наномеханических многоосевых сенсоров линейных ускорений и угловых скоростей», ФСИ, в рамках программы «У.М.Н.И.К.».
Апробация работы
Результаты, полученные во время работы над диссертацией, были
обсуждены на российских и международных научных мероприятиях, в
частности:: Proceeding of the International Conference «Physics and Mechanics of
New Materials and Their Applications» (Индия, 2017 г.), 27-я Международная
конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Россия, г.
Севастополь, 2017 г.), Proceeding of the International Conference “Micro- and
Nanoelectronics – 2016” (Россия, г. Москва-Звенигород, 2016 г.),
Международный форум «Микроэлектроника 2016» (Россия, г. Алушта, 2016 г.),
Международная конференция «Микро- и наноэлектроника-2016» (Россия, г.
Москва, 2016г.), Proceeding of the International Conference «Physics and
Mechanics of New Materials and Their Applications» (Индонезия, 2016 г.), 26-я
международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные
технологии» (Россия, г. Севастополь, 2016 г.), 23–я Всероссийская
межвузовская научно–техническая конференция студентов и аспирантов
«Микроэлектроника и информатика – 2016» (Россия, г. Москва, 2016 г.),
Молодежная научная конференция «NanoTech-2015» (Россия, г.Таганрог, 2015
г.), Proceeding of the International Conference «Physics and Mechanics of New
Materials and Their Applications» (Россия, г. Азов, 2015 г.), Международная
научно-техническая конференция и Молодежная школа-семинар
«Нанотехнологии в электронике и МЭМС» (Россия, г. Таганрог, 2014 г.), Региональная студенческая конференция (Россия, г. Ростов-на-Дону, 2014 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ в том числе: 1 монография, 8 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 5 статей в журналах, рецензируемых SCOPUS и Web of Science, 14 работ в сборниках материалов научно–технических конференций, получено 2 патента на изобретение, 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, 3 свидетельства о государственной регистрации топологии интегральных микросхем.
Структура и объем работы