Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ принципов построения интегральных микромеханических сенсоров угловых скоростей, линейных ускорений и микромеханических зеркал 16
1.1. Принципы работы и конструкции микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений 16
1.2. Принципы работы и конструкции микромеханических зеркал 37
1.3. Устройства обработки сигналов микромеханических компонентов 42
1.4. Выводы 54
2. Разработка методов построения и проектирования интегральных микромеханических двухмассовых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа 56
2.1. Метод построения и конструкции микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа 56
2.2. Моделирование сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа с двумя осями чувствительности 67
2.3. Выводы 104
3. Разработка методов построения и проектирования интегральных микро- и наномеханических одномассовых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа 106
3.1. Методы построения и конструкции микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений 106
3.2. Моделирование сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа 118
3.3. Исследование влияния технологических погрешностей на собственные частоты колебаний упругого подвеса сенсора 157
3.4. Выводы 159
4. Разработка методов построения и проектирования интегральных микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с двумя осями чувствительности 161
4.1. Методы построения и конструкции двухосевых микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений 161
4.2. Моделирование двухосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа 177
4.3. Выводы 213
5. Разработка методов построения и проектирования интегральных микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с тремя осями чувствительности 215
5.1. Методы построения и конструкции микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с тремя осями чувствительности 215
5.2. Моделирование трехосевых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений 227
5.3. Исследование влияния технологических погрешностей на собственные частоты колебаний упругих подвесов чувствительных элементов 247
5.4. Экспериментальные образцы трехосевых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений
с тремя осями чувствительности 248
5.5. Выводы 250
6. Разработка методов построения и проектирования интегральных микромеханических зеркал 252
6.1. Методы построения и конструкции микромеханических зеркал 252
6.2. Моделирование микромеханических зеркал с крестообразным внутренним подвесом 259
6.3. Моделирование микромеханических зеркал с интегрированным внутренним подвесом 273
6.4. Выводы 290
7. Разработка и исследование устройств обработки сигналов микро- и наномеханических компонентов .292
7.1. Моделирование устройств обработки сигналов микро- и наномеханических компонентов 292
7.2. Экспериментальные исследования макетов устройств
обработки сигналов микро- и наномеханических компонентов 301
7.3. Выводы 303
8. Разработка обобщенного метода и методики проектирования микро- и наномеханических компонентов 304
8.1. Обобщенный метод и методика проектирования микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал 304
8.2. Методика построения геометрических моделей хиральных углеродных нанотрубок 325
8.3. Выводы 328
Заключение 331
Список использованных источников
- Принципы работы и конструкции микромеханических зеркал
- Моделирование сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа с двумя осями чувствительности
- Моделирование сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа
- Моделирование двухосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа
Введение к работе
Актуальность темы
Одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений является микросистемная техника (МСТ), в рамках которого создаются сверхминиатюрные компоненты, включая микромеханические сенсоры угловых скоростей (), линейных ускорений () и микромеханические зеркала.
Сенсоры величин и находят широкое применение в современных технических средствах различного назначения: от специализированных изделий аэрокосмической техники и оборонных систем до бытовых приборов, таких как сотовых телефонов и игровых платформ нового поколения. Так, например, в составе навигационной системы с ГЛОНАСС- или GPS-приемником они позволяют сохранить точность и беспрерывность навигации при потере приема сигнала со спутника. В отрасли автомобилестроения данные компоненты позволяют повысить уровень комфорта автомобилей (динамическое управление движением, антиблокировочные системы торможения, системы навигации, системы безопасности).
Микрозеркала находят применение как в системах управления оптическими потоками, так и в лазерных и оптических дальномерах, используемых в системах ориентации и навигации подвижных объектов по рельефу местности.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы увеличения функциональных возможностей микромеханических сенсоров и сенсоров путем проведения исследований в области создания функционально интегрированных структур, позволяющих регистрировать и по нескольким осям чувствительности одним компонентом, а также микромеханических зеркал с возможностью отклонения зеркальных элементов под любым углом в плоскости подложки и возможностью его контроля на основе построения механических моделей и использования численных методов моделирования.
Состояние вопроса
Роль микросистемной техники в экономике высокоразвитых стран непрерывно возрастает. Так, в 2006г. общий объем продаж изделий МСТ составил 6,3 млн долл. США при среднегодовых темпах роста 20%, а в 2010г. рынок МСТ составил 8,7 млрд долл. США. Увеличение производства изделий МСТ в 2012г. составило 27% годовых и достигло отметки 9,7 млрд долл. США.
В России к разработке интегральных микросенсоров угловых скоростей, микросенсоров линейных ускорений и микромеханических зеркал по сравнению с зарубежными развитыми странами, приступили сравнительно недавно. Лидирующими организациями в области разработки и исследования данных микромеханических компонентов являются ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет “МИЭТ”» (г. Зеленоград), НИИ «Физических измерений» (г. Пенза), ОАО РПКБ (г. Раменское), ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург), ОАО Арзамасский НПП «Темп-Авиа» (г. Арзамас), Центр микротехнологий и диагностики ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)» (г. Санкт-Петербург) и др.
Известные сенсоры позволяют измерять характеристики линейных и угловых перемещений по одной или двум осям чувствительности. Производятся данные устройства в виде гибридных или интегральных микросистем и не всегда с использованием групповых методов изготовления. Кроме того, наличие операции микросборки, элементов конструкций большинства существующих компонентов, вносит погрешности в работу данных устройств и требует юстировки. Изготовление двух- и одноосных сенсоров угловых скоростей и двух- и одноосных сенсоров линейных ускорений на одной подложке, расположенных по трем взаимно ортогональным осям чувствительности, приводит к увеличению занимаемой ими площади подложки.
Решить данную проблему – улучшить массогабаритные характеристики систем регистрации и , обеспечить возможность определения параметров движения подвижного объекта по трем компонентам можно применением многоосевых микро- и наномеханических компонентов.
Таким образом, актуальна разработка методов построения функционально интегрированных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал, конструкций, моделей и методик проектирования, технологических маршрутов изготовления, ориентированных на современный уровень развития микро- и нанотехнологии, с целью дальнейшего увеличения функциональных возможностей и повышения степени интеграции МСТ.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка методов построения, конструкций, моделей, методов и методик проектирования интегральных многоосевых сенсоров, отличающихся более высокими функциональными возможностями, заключающихся в возможности детектирования и по нескольким направлениям, что позволит повысить степень интеграции и снизить массогабаритные характеристики микроэлектромеханических систем; интегральных микромеханических зеркал, обеспечивающих отклонение зеркального элемента под любым углом к плоскости подложки и его контроля, позволяющих повысить плотность упаковки матриц микрооптикоэлектромеханических систем (МОЭМС), за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого зеркала.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
разработка методов построения функционально интегрированных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров и микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами;
разработка моделей и программных средств численного моделирования предложенных функционально интегрированных многоосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений и микромеханических зеркал;
разработка конструкций и библиотек функционально интегрированных многоосевых сенсоров и микрозеркал;
разработка методик проектирования компонентов МОЭМС.
Методы исследования базируются на основных положениях теории математического моделирования, теории численных методов и алгоритмов решения обыкновенных дифференциальных уравнений, математической статистики, методик проведения экспериментальных исследований.
Научная новизна:
разработаны методы построения функционально интегрированных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров, позволяющие по сравнению с аналогами регистрировать и по двум или трем осям чувствительности один сенсорным компонентом;
разработаны методы построения микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами обеспечивающих по сравнению с аналогами возможность непрерывного контроля положения зеркального элемента относительно подложки, за счет пространственного разделения неподвижных электродов электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений;
разработаны модели функционально интегрированных многоосевых сенсоров, микрозеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами позволяющие рассчитать линейные и угловые перемещения и колебания их подвижных элементов под действием электростатических сил, и по нескольким осям с учетом конфигурации упругих подвесом чувствительных элементов, расположения электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений;
разработаны модели коэффициентов жесткости упругих подвесов чувствительных элементов сенсоров, микрозеркал с интегрированным внутренним подвесом учитывающих последовательно-параллельное соединение балок оригинальных упругих подвесов с учетом их сдвигов и s-образных изгибов;
разработаны критерии согласования частот колебаний чувствительных элементов сенсоров учитывающие оригинальные конфигурации упругих подвесов и позволяющие добиться равенства частот их колебаний по оси движения и осям чувствительности;
разработана модель равновесия зеркальных элементов микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами, позволяющая рассчитать максимальный угол отклонения зеркального элемента и значения критического напряжения при котором наступает эффект неконтролируемого электростатического притяжения с учетом конфигурации упругих подвесов и расположения электростатических приводов;
разработаны критерии оценки параметров электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений сенсоров, позволяющие определить момент наступления эффекта неконтролируемого электростатического притяжения с учетом напряжений, подданных на электростатические приводы и емкостные преобразователи напряжений, и перемещений подвижных электродов или инерционных масс под действием угловых скоростей и линейных ускорений;
разработана методика построения геометрических моделей углеродных нанотрубок с произвольным углом хиральности, позволяющая проводить расчет коэффициентов жесткости и собственных частот колебаний упругих подвесов предложенных наносенсоров, а также их линейных и угловых перемещений под действием и ;
разработан обобщенный метод проектирования, позволяющий разрабатывать топологию микро- и наномеханических сенсоров с двумя и тремя осями чувствительности и микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами с учетом действующих угловых скоростей, линейных ускорений и напряжений, подданных на электромеханические преобразователи, и идентичности некоторых их конструктивных элементов.
Практическая значимость:
на основе предложенных методов построения микро- и наноразмерной элементной базы микроэлектромеханических систем (МЭМС) разработаны и защищены патентами Российской Федерации на изобретения конструкции интегральных сенсоров, обеспечивающие по сравнению с аналогами повышение функциональных возможностей, за счет регистрации и по двум или трем осям чувствительности одним сенсорным компонентом, улучшить массогабаритных характеристик в 6 раз по сравнению с гибридными микросистемами и в 2 раза по сравнению с интегральными микросистемами, а также уменьшение площади на 30% по сравнению с интегральными микросистемами, занимаемой компонентами на кристалле;
на основе предложенных методов построения микроразмерной элементной базы МОЭМС разработаны и защищены патентами Российской Федерации на изобретения конструкции интегральных микромеханических зеркал, обеспечивающие по сравнению с аналогами возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки за счет введения емкостных преобразователей перемещений;
на основе предложенных моделей микро- и наноразмерной элементной базы МЭМС и МОЭМС разработаны и защищены свидетельствами Российской Федерации о государственной регистрации программ для ЭВМ программы моделирования интегральных сенсоров и микрозеркал;
на основе анализа полученных результатов моделирования разработана обобщенная методика проектирования позволяющая разрабатывать топологию интегральных сенсоров и микромеханических зеркал с учетом действующих угловых скоростей, линейных ускорений и напряжений, подданных на электромеханические преобразователи, и идентичности некоторых их конструктивных элементов;
разработаны технологические маршруты изготовления интегральных многоосевых микро- и наномеханических компонентов;
разработаны схемы устройств обработки сигналов емкостных преобразователей перемещений предложенных микро- и наномеханических компонентов МОЭМС обеспечивающие по сравнению с аналогами высокие показатели чувствительности и температурной стабильности;
с использованием разработанного совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва) технологического маршрута изготовлены экспериментальные образцы микромеханического сенсора с тремя осями чувствительности;
разработаны библиотеки геометрических и конечно-элементных моделей интегральных компонентов, отличающиеся от существующих возможностью параметризации;
разработаны библиотеки параметризуемых высокоуровневых VHDL-AMS описаний функционально интегрированных сенсоров и микромеханических зеркал.
Достоверность научных результатов определяется применением современных методов исследования и подтверждается сравнением с результатами экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе, с результатами численного моделирования, полученными с использованием пакета программ ANSYS, а также согласованием с известными из научной литературы данными.
Внедрение и практическое использование результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках ФГУ Российского научного центра «Курчатовский институт» (г. Москва), ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов-сборка» (г. Воронеж), ООО «Центр нанотехнологий» (г. Таганрог), НОЦ «Нанотехнологии» Южного федерального университета (г. Таганрог), использованы в НИР, выполненных по заданиям Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет».
Апробация результатов работы
Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных мероприятиях: IARP Workshop on Microrobots, Micromachines an Microsystems (Moscow, 2003 г.); I и II Всероссийских дистанционных НТК «Электроника» (г. Москва, 2001, 2003 гг.); IV и V Международных НТК «Электроника и информатика» (г. Москва, 2002, 2005 гг.); V – Х Международных НТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (с. Дивноморское, 1998-2000, 2002, 2004, 2006 гг.); VIII НТК «Навигация и управление движением» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); VI Российской НТК «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.); IV и V Международных НТК «Молодые ученые» (г. Москва, 2006, 2008 гг.); V, VI-VIII Международных НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения (Intermatic)» (г. Москва, 2006-2009 гг.); Международный форум по нанотехнологиям (г. Москва, 2009 г.); VII, IХ-ХII Международных НТК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2005, 2007- 2010 гг.); Международная НТК «Нанотехнологии-2012» (г. Таганрог, 2012г.); International Conference “Micro- and nanoelectronics” (Moscow-Zvenigorod, 2003, 2005, 2012гг.).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
методы построения и конструкции функционально интегрированных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, интегральных микромеханических зеркал;
модели функционально интегрированных сенсоров и микромеханических зеркал;
методы проектирования интегральных микро- и наномеханических сенсоров и микромеханических зеркал.
Публикации
По теме исследований опубликовано 98 печатных работы, в том числе 3 монографии, 31 научная статья, из которых 22 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 14 патентов РФ на изобретения и 7 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, восьми глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 354 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 20 страницах, 250 рисунков, 9 таблиц.
Принципы работы и конструкции микромеханических зеркал
В связи с этим, разработка многоосевых микромеханических сенсоров Q и а, микромеханических зеркал и методов их проектирования является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является разработка методов построения, конструкций, моделей, методов и методик проектирования интегральных многоосевых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, отличающихся более высокими функциональными возможностями, заключающихся в возможности детектирования угловых скоростей и линейных ускорений по двум или трем осям чувствительности, что позволит повысить степень интеграции и снизить массогабаритные характеристики микроэлектромеханических систем; интегральных микромеханических зеркал, обеспечивающих отклонение зеркального элемента под любым углом к плоскости подложки и контроля его положения, позволяющих повысить плотность матриц МОЭМС, за счет сокращения площади подложки, используемой под размещение каждого микромеханического зеркала.
При выполнении данной диссертационной работы получены следующие научные результаты: -разработаны методы построения функционально интегрированных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров Q и a LL- и LR-типов; - разработаны модели предложенных компонентов; -разработаны модели коэффициентов жесткости упругих подвесов чувствительных элементов функционально интегрированных сенсоров; - разработаны критерии согласования частот колебаний чувствительных элементов сенсоров; -разработаны критерии оценки параметров гребенчатых электродов электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений; -разработаны методы построения микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами; -разработаны модели микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами; -разработаны уравнения равновесия зеркальных элементов предложенных микрозеркал; - разработаны модели жесткости упругого подвеса зеркального элемента ММЗ с интегрированным внутренним подвесом; - разработана методика построения геометрических моделей углеродных нанотрубок с произвольным углом хиральности; -разработан обобщенный метод проектирования многоосевых микро- и наномеханических сенсоров LL- и LR-типов и микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем: - на основе предложенных методов построения микро- и наноразмерной элементной базы МЭМС разработаны и защищены патентами Российской Федерации на изобретения конструкции интегральных микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с двумя или тремя осями чувствительности, обеспечивающие по сравнению с аналогами повышение функциональных возможностей, за счет регистрации угловых скоростей и линейных ускорений по двум или трем осям чувствительности одним сенсорным компонентом, уменьшение массогабаритных характеристик, а также уменьшение площади, занимаемой компонентами на кристалле; - на основе предложенных методов построения микроразмерной элементной базы МОЭМС разработаны и защищены патентами Российской Федерации на изобретения конструкции интегральных микромеханических зеркал, обеспечивающие по сравнению с аналогами возможность контроля положения зеркального элемента относительно подложки, за счет размещения под ним неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений; - на основе предложенных моделей микроразмерной элементной базы МЭМС разработаны и защищены свидетельствами Российской Федерации о государственной регистрации программ для ЭВМ программы моделирования интегральных микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с двумя или тремя осями чувствительности; - на основе анализа полученных результатов моделирования разработана обобщенная методика проектирования интегральных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал; -разработаны технологические маршруты изготовления интегральных многоосевых микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал; -разработаны схемы устройств обработки сигналов емкостных преобразователей перемещений микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал; - с использованием разработанного совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва) технологического маршрута изготовлены экспериментальные образцы микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений с тремя осями чувствительности; - разработаны библиотеки параметризуемых геометрических и конечно-элементных моделей интегральных многоосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал; -разработаны библиотеки параметризуемых высокоуровневых VHDL-AMS описаний функционально интегрированных многоосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений, микромеханических зеркал.
Основные результаты диссертации получены автором при выполнении научно-исследовательских работ в рамках госбюджетной тематики №№ 13090, 13091 (гранты Министерство образования и науки РФ), 13461, 13463, 13464, 13465, 13050, 13056, 13058, 13059, 13060, 301.38.06.51, 301.38.06.52 (научно-исследовательские программы Министерства образования и науки РФ), 13081 (грант Российского фонда фундаментальных исследований), а также хоздоговорных НИР №№13006, 13407, 13009, 13011, 13022 (заказчик -Министерство образования и науки РФ, федеральные целевые программы -«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы»), 13005 (заказчик - ФГУ РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва), 7797р (заказчик - Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, г. Москва).
Моделирование сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа с двумя осями чувствительности
Погрешность моделирования частоты собственных колебаний (рисунок 2.14) по сравнению с моделями [48] не превышает 5%. Погрешность моделирования частоты собственных колебаний (рисунок 2.15) по сравнению с численными методами и моделями [48] при длине балок 170-250 мкм не превышает 10%. Погрешность моделирования частоты собственных колебаний (смотри рисунок 2.16), обусловленных действием угловой скорости Qx, по сравнению с численными методами при длине балок 170-300 мкм не превышает 10%.
На рисунках 2.17-2.19 представлены результаты моделирования перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейного ускорения на основе предложенных уравнений движения (2.20) и (2.21) с использованием языка VHDL-AMS [84, 85] и численного моделирования в пакете ANSYS [82, 83] при wb38= wb48=5 мкм, h=5 мкм и Lb38= Lb48=200 мкм.
Как видно, погрешность моделирования перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейного ускорения с использованием предложенных уравнений движения (2.20) и (2.21) по сравнению с численными методами при действии линейных ускорений по осям х и у менее 10g не превышает 2%, а по оси z в диапазоне от 1,5g до 3g - менее 10%. Рисунок 2.17 - Зависимость перемещения чувствительного элемента ММГА под действием линейного ускорения вдоль оси X
На рисунке 2.20 представлены результаты моделирования изменений емкостей преобразователей перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейного ускорения на основе предложенных уравнений движения (2.20) и (2.21) с использованием языка VHDL-AMS [84, 85] и экспериментальных результатов [182] при N= 230 шт., h=3 мкм и ку=кхт=0,127Н/м. Рисунок 2.19 - Зависимость перемещения чувствительного элемента ММГА под действием линейного ускорения вдоль оси Z
Как видно на рисунке 2.20, погрешность моделирования изменений емкостей преобразователей перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейных ускорений с использованием предложенных уравнений движения (2.20) и (2.21) по сравнению с экспериментальными результатами [182] не превышает 10%. Как видно из выражения (1.2) сила инерции Кориолиса может быть увеличена за счет увеличения массы и линейной скорости инерционной массы, обусловленной действием электростатических сил. Линейная скорость инерционной массы пропорциональна амплитуде и частоте ее колебаний.
Таким образом, параметрами, влияющими на величину сил инерции Кориолиса, являются масса, амплитуда и частота колебаний ИМ. Частота колебаний инерционной массы в режиме движения будет обратно пропорциональна массе ИМ, а в режиме чувствительности - обратно пропорциональна амплитуде колебаний ИМ в режиме движения. Следовательно, масса и амплитуда колебаний инерционной массы, обусловленных действием электростатических сил, необходимо увеличивать с целью улучшения чувствительности ММГА.
Так как увеличение массы приводит к увеличению площади подложки, занимаемой чувствительными элементами ММГА, и, в конечном счете, к повышению себестоимости устройства, то необходимо определить оптимальное соотношение данных параметров. Также, слишком большие площади инерционных масс приводят к снижению выхода годных из-за прилипания подвижных частей компонентов МСТ к подложке при промывании продуктов травления на последнем этапе процесса изготовления [9, 76, 86].
С другой стороны увеличение массы ИМ будет негативно влиять на резонансную частоту колебаний чувствительных элементов ММГА и повышать амплитуду колебаний ИМ, обусловленных действием ударных нагрузок и сил инерции. Другой потенциальной проблемой для «больших» инерционных масс является высокие величины коэффициентов демпфирования и низкие значения критических напряжений, при которых наступает эффект неконтролируемого электростатического притяжения [9, 76, 86].
Как отмечалось выше, силы инерции Кориолиса зависят от частоты колебаний ИМ в режиме движения. Следовательно, для повышения амплитуды колебаний ИМ, под действием сил инерции Кориолиса, необходимо чтобы частоты колебаний чувствительных элементов ММГА в РД и РЧ были согласованы.
Как видно на рисунке 2.8, колебания чувствительного элемента ММГА по осям X и Y обусловлены одинаковой конфигурацией соединений упругих балок 38-41, 48-51 и при равных значениях их длин и площадей сечения может быть достигнута необходимая согласованность частот колебаний.
Как видно на рисунке 2.9, колебания чувствительного элемента ММГА по оси Z обусловлены последовательно-параллельным соединением упругих балок 38-41 и 48-51. Из условия равенства собственных частот колебаний чувствительных элементов ММГА в РД и РЧ по оси Z получим критерий их согласованности:
Как видно на рисунке 2.35, длительность воздействия ПИЙ составляет по 40 мс, длительности переднего и заднего фронтов - по 1 мс. Последовательность действия на сенсор выбрана таким образом, чтобы не было их перекрытия по одной и той же оси чувствительности.
Моделирование сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа
Для формирования управляющих напряжений ( упр) электростатических приводов устройства используются опорное напряжение (Uon) и напряжение отклонения (UOT) с несущей частотой равной собственной частоте упругого подвеса чувствительных элементов ММГА соу в режиме РД. Для формирования сигналов емкостных преобразователей перемещений сенсора используются опорное напряжение и дополнительный сигнал (U. ) с несущей частотой cos отличной от частоты отклоняющего напряжения ЭСП на два порядка.
Как видно на рисунках 4.1, 4.2 и 4.4, 4.5 особенностью разработанных сенсоров LR-типа и LL-типа является тот факт, что упругий подвес, инерционные массы, внутренняя рамка, подвижные и неподвижные электроды электростатических приводов, неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений изготавливаются в одном структурном слое.
Моделирование двухосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа При выводе уравнения движения чувствительного элемента гироскопа-акселерометра были сделаны следующие предположения: -упругие элементы подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов и внутренней рамки имеют конечную жесткость на изгиб в направлениях осей X, Y, Z; -упругие элементы подвеса инерционной массы имеют бесконечную жесткость на изгиб и конечную жесткость на кручение относительно оси X.
С подложкой устройства связана система координат X, Y, Z. Подложка жестко соединена с корпусом, который поступательно перемещается с ускорением, имеющим в системе координат X, Y, Z проекции ах, ау, az. Кроме того, происходит вращение микромеханического устройства вокруг осей X, Y, Z с некоторыми Q.x, Q.y, Q.z. Векторы измеряемых линейных ускорений и угловых скоростей направлены вдоль осей X и Z.
На рисунке 4.14 представлена система координат упругого подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов ММГА [112].
Рисунок 4.14 - Система координат упругого подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов ММГА
Система координат XniYnlZni, оси которой параллельны осям X, Y, Z, определяет положение геометрического центра упругого подвеса (точка Опі), определенного в системе X, Y, Z координатами у і и zb обусловленных конечной жесткостью на изгиб упругих элементов подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов.
Система координат X niY Z nb оси которой параллельны осям Хп1, Yni, Zni, определяет положение центра масс упругого подвеса (точка 0\\), определенного в системе XniYnlZni координатами 8хп1, 5 пь 5zni обусловленных технологическими и температурными погрешностями.
На рисунке 4.15 представлена система координат упругого подвеса внутренней рамки сенсора [112].
С геометрическим центром внутренней рамки (точка Оп2) связана система координат Xn2,Yn2,Zn2, положение которой в системе координат упругого подвеса подвижного электрода актюаторов XniYniZni определено координатами х2, z2. Причем координата у і обусловлена перемещениями под действием электростатических сил, а координаты z\ и х2, z2 - перемещениями под действием Q и а.
С центром масс внутренней рамки (точка СУ „г), положение которой в системах координат Xn2,Yn2,Zn2 определено координатами 8хп2, 5уп2, 5zn2 (обусловленных действием технологических и температурных погрешностей), связана система координат X Y r Z На рисунке 4.16 представлена система координат упругого подвеса инерционной массы ММГА [112].
С геометрическим центром инерционной массы (точка Опг) связана система координат XM,YM,ZM, положение которой в системе координат упругого подвеса внутренней рамки Xn2Yn2Zn2 определено угловой координатой а, обусловленной вращением ИМ под действием где Ам, Вм, См - главные моменты инерции инерционной массы относительно осей XnYnZn, соответственно; рм, qM, гм - проекции абсолютных Q на оси Хп, Yn, Zn, соответственно; mh т2, тм - массы подвижного электрода электростатических актюаторов, внутренней рамки и ИМ, соответственно; vxl, Vyi, vzi, vx2, vy2, vz2, vXM, vVM, vZM - проекции линейных скоростей центров масс подвижного электрода электростатических актюаторов, внутренней рамки и инерционной массы на соответствующие оси; к ,,к . - коэффициенты жесткости упругого подвеса подвижного гребенчатого электрода электростатических приводов; к у,к - коэффициенты жесткости подвеса внутренней рамки; /3yj, fiz} - коэффициенты демпфирования для упругого подвеса подвижного электрода при его движениях по обобщенным координатам Уь zb соответственно; fix2, J3z2 - коэффициенты демпфирования для внутренней рамки при ее движениях по обобщенным координатам х2, z2; /За — коэффициенты демпфирования для инерционной массы при ее вращении по обобщенной координате а.
Моделирование двухосевых сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа
На рисунке 6.36 представлены результаты моделирования перемещения зеркального элемента ММЗ под действием линейного ускорения на основе предложенных уравнений движения (6.34) с использованием языка VHDL-AMS [84] и численного моделирования в пакете ANSYS [82, 83] при wi2= h= 5 мкм, Lio= 500 мкм, Li2= 100 мкм, La= 20 мкм.
Как видно на рисунке 6.36, погрешность моделирования перемещения зеркального элемента микромеханического зеркала под действием линейного ускорения с использованием предложенных уравнений движения (6.34) по сравнению с численными методами при действии линейного ускорения менее 10g не превышает 10%.
На основе полученных результатов моделирования можно сделать заключение, что действие линейных ускорений не вносит существенных изменений в работы микромеханического зеркала. Как видно на рисунке 6.36, перемещение зеркального элемента при az= 10 g вдоль оси Z составляет единицы нанометров. Таким образом, уравнения движения микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом может быть представлено в следующем виде:
Уравнение равновесия рассматриваемого микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом будет аналогично уравнению равновесия микрозеркала с крестообразным внутренним подвесом (6.15), рассмотренного в разделе 6.2. Следовательно, такой же будет и зависимость уровня максимального значения U0T2 изменяющегося по гармоническому закону от уровня максимального значения U0Ti постоянного во времени (смотри рисунок 6.20).
Рисунок 6.36 - Зависимость перемещения зеркального элемента под действием линейного ускорения вдоль оси Z
На рисунке 6.37 представлены результаты моделирования угла отклонения зеркального элемента от отклоняющего напряжения на основе предложенной модели (6.41) и экспериментальных результатов [64] при Ью= 285 мкм, Li2= 250 мкм, h=40 мкм, 1Э= 100 мкм, w3= 100 мкм.
Зависимость угла отклонения зеркального элемента ММЗ с интегрированным внутренним подвесом от напряжения
Как видно на рисунке 6.37, погрешность моделирования угла отклонения зеркального элемента ММЗ с крестообразным внутренним подвесом от напряжения с использованием предложенной мо дели (6.41) по сравнению с экспериментальными результатами [64] в диапазоне 80-150 В не превышает 10%.
На основе разработанных уравнений движения микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом, предложенных критериев оценки относительных перемещений зеркального элемента и приведенного напряжения было разработано параметризуемое VHDL-AMS описание предложенного микромеханического устройства. Моделирование выполнялось при следующих исходных данных: Li2= 200 мкм, L0= 1500 мкм, Wi2= 5 мкм, h= 5 мкм, иоп= 3 В, иоТ2= 3,5 В, Uenn= 2 В, cos= ЮОсор, g= 9 мкм, 1э= 500 мкм, w3= 500 мкм, fz= 5,8 кГц, fp= 1,6 кГц, f= 1,7 кГц.
На рисунке 6.38 представлены результаты моделирования микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом с периодически изменяющимся напряжением отклонения U0T2 Как видно на рисунке 6.38, углы отклонений зеркальных элементов относительно осей X и Y составляет 0,4 и 0,35 град., соответственно.
Перемещение зеркального элемента под действием опорного напряжения составляет 41 нм, под действием отклоняющих напряжений - 82 нм. Время действия переходных процессов составляет 5,0 мс. Амплитуды биений сигналов на информационных каналах составляют Ui= 0,38 мВ, \]2- 0,35 мВ. Чувствительность емкостных преобразователей перемещений к отклонению зеркального элемента составляет 0,95 мВ / град. При колебаниях зеркального элемента относительно оси X и 1,0 мВ / град. - оси Y. Как видно из результатов моделирования, предложенная конфигурация конструкции микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом является оптимальной. В результате обработки выделены сигналы, несущие информацию о колебаниях зеркального элемента ММЗ под действием электростатических сил по двум осям.
На основе исследований, приведенных в главе 6, можно сделать следующие выводы: -разработаны оригинальные конструкции микромеханических зеркал, защищенные патентами РФ на изобретения; -разработан метод построения микромеханических зеркал, обеспечивающих отклонение зеркального элемента под любым углом к плоскости подложки; -разработана модель микромеханических зеркал с крестообразным внутренним подвесом, позволяющие определять его отклонения под действием электростатических сил и линейных ускорений с погрешностью менее 10%; -разработано уравнение равновесия зеркального элемента микромеханических зеркал, позволяющее определять критическое напряжение при котором наступает эффект неконтролируемого электростатического притяжения; -разработаны макросы построения параметризуемых геометрических и конечно-элементных моделей микромеханических зеркал с крестообразным внутренним подвесом для численного моделирования в пакете ANSYS; -разработано параметризуемое высокоуровневое VHDL-AMS описание микромеханических зеркал с крестообразным внутренним подвесом; - разработана модель микромеханических зеркал с интегрированным внутренним подвесом, позволяющие определять его отклонения под действием электростатических сил и линейных ускорений с погрешностью менее 10%; 291 - разработаны модели жесткости упругого подвеса зеркального элемента ММЗ с интегрированным внутренним подвесом, позволяющие рассчитывать собственные частоты колебаний упругого подвеса с погрешностью менее 10%; -разработаны макросы построения параметризуемых геометрических и конечно-элементных моделей микромеханических зеркал с интегрированным внутренним подвесом для численного моделирования в пакете ANSYS; -разработано параметризуемое высокоуровневое VHDL-AMS описание микромеханических зеркал с интегрированным внутренним подвесом.
Предложенное устройство обработки сигналов микро- и наномеханических компонентов позволяет преобразовывать изменения емкости или дифференциальных емкостей в изменение частоты электрического сигнала, что позволяет обеспечить регистрацию изменения емкостей преобразователей перемещений включенных по любой из схем включения инерционной массы (зеркального элемента) и неподвижных электродов ЕПП.
Основной особенностью емкостных преобразователей перемещений, используемых в разработанных микро- и наномеханических компонентах, является крайне незначительное изменение емкостей при наличии составляющих внешних воздействий по соответствующим осям чувствительности.
Учитывая, что пределы изменения емкостей преобразователей в несколько раз меньше по величине паразитных емкостей субмикронных интегральных структур, обеспечение достаточно высокой чувствительности при использовании традиционных схем съема и обработки данных, описание которых приведены в [9, 44, 48, 65], связано с необходимостью решения целого ряда проблем.
Несмотря на то, что при изменении частотозадающих емкостей преобразователей перемещений и с учетом паразитных емкостей активных и пассивных элементов и соединений схемы относительные изменения выходных частот генераторов будут крайне незначительны, даже небольшой относительный фазовый сдвиг выходных колебаний генераторов обеспечит существенное изменение частоты биений, что позволит значительно повысить чувствительность схемы съема и обработки по сравнению с аналогичными [9,
