автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и средств проектирования микросистем с интегральными термоэлементами

На правахрукописи

КРАВЧЕНКО Ирина Владимировна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОСИСТЕМ С ИНТЕГРАЛЬНЫМИ ТЕРМОЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 2005

Работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Коноплев Б.Г. (ТРТУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Червяков ГГ. (ТРТУ, г. Таганрог) доктор технических наук, профессор Тимошенков СП. (МИЭТ, г. Москва)

Ведущая организация:

Государственный научный центр РФ НПК «Технологический центр», г. Москва

Защита диссертации состоится "_"_2005 г. в_ч._мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.259.04 в Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: 347922, г. Таганрог Ростовской области, ул. Шевченко, 2, Е-306, тел. (8634) 371767, факс (8634) 361500

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Автореферат разослан "_"_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,-^*""} ^ доцент /

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальностьработы.

Микросистемная техника (МСТ) является в настоящее время одним из наиболее быстро развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений. Стремительное развитие МСТ-технологий за последние годы показало огромный потенциал этой области и позволило реализовать множество элементов и микросистем, которые невозможно изготовить с использованием макротехнологий. Темпы роста мирового рынка составляют порядка 20% в год и в 2005 году объем продаж составит 65 млрд. долл.

Характеристические размеры элементов МСТ обычно составляют порядка 10 - 100 мкм. В макромире процессы теплопередачи являются инерционными, однако, благодаря малым характеристическим размерам, рабочая частота для микросистем с термоэлементами достигает сотен герц. Основными достоинствами термоэлементов являются их конструктивная и технологическая простота, большая вырабатываемая актюаторами сила по сравнению с другими типами активации элементов МСТ и отсутствие- подвижных частей для большинства сенсорных МСТ с термоэлементами, что позволяет значительно повышать их предельные нагрузки.

Важнейшей особенностью микросистем является то, что их разработка связана с различными областями физики, такими как механика, электромагнетизм, гидродинамика, теория упругости и другие. Однако теории, пригодные для макрообъектов, не всегда корректны для описания поведения объектов в микромире. Моделирование позволяет определять механические и физические параметры элементов, находить оптимальные конструктивные соотношения, не прибегая к экспериментальным исследованиям. Также не всегда возможно измерить такие физические величины, как температурное поле или распределение скорости в потоке газа в микромасштабе, не внося в них изменений.

Поэтому разработка моделей интегральных элементов, позволяющих учитывать их размеры, является одним из основных направлений развития МСТ.

Состояние вопроса.

В настоящее время разработано множество микроактюаторов, в которых используются различные типы активации. По типу активации микроактюаторы делятся на: электростатические, тепловые, пьезоэлектрические, магнитные.

Тепловые микроактюаторы являются одними из наиболее распространенных. В настоящее время, основными областями применения интегральных термоактюаторов являются: различные инструменты для сборки микросистем, микроконвейеры, микропинцеты и микрозахваты, отклоняющие системы и ключи для оптоэлектроники и др.

Для увеличения силы тепловые актюаторы объединяют в матрицы. Матрицы тепловых актюаторов используют в качестве линейных отклоняющих систем, а также в качестве линейных шаговых двигателей.

Интегральные сенсорные термоэлементы делятся на датчики температуры и термосенсоры физических величин.

Термосенсоры представляют собой микросистемы с интегральными термоэлементами. В них температура используется как опосредованный параметр для измерения таких величин как давление, скорость потока, влажность, ускорение, угол и др.

Датчики на основе интегральных термоэлементов содержат нагревательный элемент и сенсоры температуры. На основе этих двух элементов строят анемометры, датчики давления, акселерометры, датчики измерения вязкости, теплопроводности, теплоемкости и коэффициента теплового сопротивления газов и жидкостей.

Основными достоинствами большинства термосенсоров является надежность, обусловленная отсутствием гибких и подвижных элементов в их конструкциях, и технологичность. Существенными недостатками являются инерционность тепловых процессов и большая потребляемая мощность, поскольку в состав практически всех конструкций входит нагреватель.

Типичным представителем термосенсоров является микроакселерометр на основе конвекции. Он состоит из нагревателя и сенсоров температуры, помещенных в герметичную микрокамеру, которая заполнена газом. Размеры герметичной камеры составляют от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров.

Достоинством микроакселерометра на основе конвекции, является отсутствие инерционной массы, роль которой выполняет неравномерно нагретый газ в герметичной микрокамере, что позволяет использовать датчик при больших перегрузках (до 50 g).

Для того, чтобы описать работу акселерометра на основе конвекции необходимо промоделировать свободную конвекцию в микрокамере с учетом внешнего ускорения и угла наклона относительно горизонта.

Свободная конвекция в макромасштабе является достаточно изученной, поскольку широко применяется в различных инженерных областях. Тем не менее, свободной конвекции в микромасштабе не уделялось должного внимания из-за небольшой области применения в прошлом.

Эффекты размерности свободной конвекции в микромасштабе возникают из-за изменения доминирующих факторов и соотношения сил (инерция, силы вязкости и подъемная сила), влияющих на конвекцию. С уменьшением размеров силы вязкости возрастают, а сила инерции уменьшается. Также изменяется соотношение составляющих теплопереноса (теплопроводность, конвекция и излучение) в микрокамерах.

На основании проведенного анализа литературы можно сделать выводы о том, что в настоящее время актуальными задачами являются:

- разработка и исследование интегральных термоэлементов, поскольку

они конструктивно и технологически просты, многие термосенсоры не имеют подвижных частей, что позволяет использовать их при значительных перегрузках;

- исследование и разработка моделей и методик моделирования и проектирования интегральных термоэлементов.

Цель работы.

Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование моделей и методик моделирования и проектирования интегральных сенсорных и актюаторных термоэлементов МСТ.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи:

- разработка интегральных сенсорных и актюаторных термоэлементов МСТ;

- разработка и исследование физико-топологических и механических моделей сенсорных и актюаторных термоэлементов МСТ;

- разработка методик моделирования термоэлементов МСТ;

- разработка методик проектирования термоэлементов МСТ.

Научная новизна.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- разработаны и исследованы механические модели биморфного термоактюа-тора, позволяющие определить угол поворота и вырабатываемую силу;

- разработана и исследована физико-топологическая модель акселерометра на основе конвекции, позволяющая получить распределение температуры внутри замкнутой микрокамеры под действием вешних воздействий (ускорения и угла наклона относительно горизонта);

- разработаны и исследованы модели позволяющие оценить быстродействие термоактюатора и термоакселерометра.

Практическаязначимость.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- разработана методика моделирования биморфного термоактюатора;

- разработана методика моделирования микроакселерометра, основанного на конвекции;

- разработан пакет прикладных программ, позволяющий моделировать свободную конвекцию в замкнутой микрокамере под действием внешних воздействий (ускорения и угла наклона относительно горизонта);

- разработана методика проектирования биморфного термоактюатора;

- разработана методика проектирования микроакселерометра, основанного на конвекции.

Внедрение и практическое использованиерезультатовработы.

Методики моделирования и проектирования элементов МСТ использованы в НИР, выполненных по заданиям Минобразования РФ и в учебном процессе ТРТУ. Методика моделирования микроакселерометра и программные средства использованы НИИ МВС (г. Таганрог).

Апробаиияработы.

Основные результаты работы докладывались на: VI-VIII Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (с. Дивноморское, 1999 - 2002 гг.); VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2004 г.); 48 научно-технической конференции ТРТУ (г. Таганрог, 2003 г.); Второй Всероссийской научно-технической дистанционной конференции «Электроника» (г. Москва, 2003 г.); VIII ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2002 г.).

Основные положения ирезультаты, выносимые назащиту.

1. Интегральная конструкция термоактюатора на основе биморфной балки, изготавливаемая на основе планарной MUMPs технологии.

2. Интегральная конструкция конвективного микроакселерометра.

3. Механические модели термоактюатора на основе биморфной балки.

4. Модель и методика моделирования распределение температуры в микрокамере термоакселерометра с учетом внешних воздействий (ускорения и угла наклона).

5. Модели для оценки быстродействия термоактюатора и акселерометра на основе конвекции.

6. Методики проектирования интегральных сенсорных и актюаторных термоэлементов МСТ: термоактюатора на основе биморфной балки и акселерометра на основе конвекции.

Публикаиии.

По теме исследований опубликовано 10 печатных работ, в ВНИИТЦ зарегистрировано 9 отчетов НИР, выполненных при участии автора.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, 78 рисунках, 3 таблицах и содержит список литературы на 13 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, выделены научная новизна, основные защищаемые положения, приведены другие общие характеристики работы.

В первой главе анализируются преимущества и недостатки существующих принципов активации и детектирования, применяемых в МСТ. Проведена классификация сенсорных и актюаторных термоэлементов МСТ и областей их применения. В частности, рассматриваются различные типы микроакселерометров и области их применения, а также различные типы термоактюаторов.

Во второй главе описан разработанный актюатор на основе биморфной балки. Приведены разработанные механические модели, позволяющие определить угол поворота и вырабатываемую силу. Выполнена оценка быстродействия актюатора.

На рис. 1 представлена структура разработанного термоактюатора поворота на основе биморфных балок. Разработан технологический маршрут изготовления актюатора, основанный на поверхностной.MUMPs технологии.

Структура биморфного термоактюатора

А-А

12 3 1

1 - якорь, 2 -биморфная балка, 3 - ротор Рис. 1

Термоактюатор состоит из двух биморфных балок, выполненных в виде спирали. С одного конца балки крепятся к неподвижным якорям, а с другого - к ротору. Якоря также являются контактами. При протекании тока по биморф-ным балкам они нагреваются. За счет различных коэффициентов линейного

расширения под действием температуры балки сворачиваются, поворачивая ротор. Особенностью данного актюатора является использование двух би-морфных балок. Это позволило не только увеличить вырабатываемую актюа-тором силу, но также избежать использования в конструкции подвижного контакта.

Тепловой актюатор, основанный на биморфной структуре, имеет большее отклонение по сравнению с актюаторами на основе полиимидных шарниров и термоактюаторов "и" типа.

Достоинством термоактюатора поворота, основанного на биморфных балках, по сравнению с шаговым двигателем на основе матрицы термоактюа-торов "и" типа, является его простота, а также малая занимаемая площадь на кристалле.

Разработанный термоактюатор может быть использован в качестве привода для различных сканирующих микросистем, поскольку обладает большим углом поворота (до 360 °), например, в оптоключах для поворота микрозеркал.

Разработаны модели, позволяющие рассчитать угол поворота и вырабатываемую силу термоактюатора.

Угол поворота термоактюатора описывается следующим выражением: !(ал1-а31)АТ _

в = -

к

6кл

(1)

"Л/ А' » у ^".41 J

где 0- угол поворота (в радианах); Ем,Ец - модуль Юнга алюминия и поликремния, соответственно; УА/, — коэффициент Пуассона алюминия и поликремния; - коэффициент теплового расширения алюминия и поликремния; / - длина балки; И^ц, - толщина слоев алюминия и поликремния.

Модель угла поворота применима для широкого диапазона конструктивно-технологических параметров (материалов, толщин пленок) термоактюато-ров данного типа.

Сила, вырабатываемая термоактюатором при нагревании, описывается следующим выражением:

где - высота биморфной балки,

Получено выражение, определяющее условие функционирования термо-актюатора, которое имеет следующий вид:

Получено выражение для определения длины спирали в зависимости от количества витков одной спирали и, расстояния между витками одной спирали с1 и начального радиуса Яг, которое имеет следующий вид:

/ =-1-((Л0 +па)г +<*2 "Лол/<*2 + V +

2 а (4)

+ с1г 1п(до + и (1 + + ¿г )- 6г 1п(йо + ^2+Л02))-

Для оценки быстродействия термоактюатора использован метод электротепловой аналогии.

Выражение, описывающее температуру балки в зависимости от времени, имеет сттеттютттей иил'

Г(*)=(ГЛ -7о)ехр

-2/

рСрмЫ2

+ Т0,

(5)

где - температура окружающей среды; - максимальная температура балки; / - время; р — плотность; ср - удельная теплоемкость; / - длина балки; к — ширина балки; к$,' - теплопроводность поликремния; кс - коэффициент конвективной теплопередачи.

Выражение, позволяющее оценить мощность, необходимую для нагрева балок до максимальной температуры, имеет следующей вид:

е = (7л-7оХ/М" + А)2 + *яйм'//). (6)

На рис. 2 представлена зависимость относительного перегрева балки от времени и длины биморфной балки при следующих параметрах: = 140 Вт/м К, кс = 5 Вт/м2 К, А = 4 мкм, ы = 0.5 мкм, р= 2330 кг/мЗ,

На рис. 3 представлена зависимость времени остывания балки на 90% от первоначального значения от длины и высоты балки.

На рис. 4 представлен график зависимости угла отклонения биморфной балки от толщины алюминиевого слоя и длины балки, рассчитанный по формуле (1). Расчет был проведен при следующих параметрах: ам =22,5-Ю-6 м/мК, ал1=2,3\0~6 м/мК, ¿>1 = 100 К, 2-10~6 м,

На рис. 5 представлен график зависимости силы, вырабатываемой термо-актюатором, от толщины алюминиевой и кремниевой пленок. Область графика, где сила равна нулю, соответствует невыполнению условия (3).

Уменьшение толщины кремниевой пленки или увеличении толщины алюминиевой пленки соответствует увеличению силы актюатора. Также с увеличением толщины алюминиевой пленки возрастает угол поворота актюатора.

Полученная модель (1) угла поворота биморфной балки позволяет учитывать более широкий диапазон конструктивно-технологических параметров актюатора, таких как толщина слоев и их физические параметры.

Зависимость относительного перегрева актюатора от времени и длины биморфной балки

Зависимость времени остывания от длины и высоты балки

Рис.2

Рис. 3

Зависимость угла отклонения биморфной Зависимость силы, вырабатываемой балки от толщины алюминия и длины термоактюатором, от толщины

балки алюминиевой и кремниевой пленок

Рис.4

Рис.5

В третьей главе описан интегральный микроакселерометр на основе конвекции. Приведена разработанная физико-топологическая модель для расчета распределения температуры в герметичной микрокамере акселерометра. Приведены оценки быстродействия акселерометра.

На рис. 6 представлена конструкция акселерометра. Кристалл помешен в герметичный корпус. На рис. 7 представлена схематическая модель герметичной микрокамеры теплового микроакселерометра.

Для расчета распределения температуры в газе, заполняющем камеру, была использована система уравнений, которая состоит из уравнения Навье -Стокса в приближении Буссинеска и уравнения теплопроводности для стационарного случая.

Конструкция термоакселерометра

Нагреватепь

Рис. 6

Поперечное сечение микрокамеры термоакселерометра с граничными условиями

л Т0 V„=0 у„и>

ае

■г

V, 0 <- Г ПкЛ

X I ч„=0 уу=о

1 - источник тепла, 2 - сенсоры температуры Рис. 7

Поскольку скорость потока газа мала (порядка 10" м/с), в уравнении На-вье - Стокса можно пренебречь изменением давления, а также членами, содержащими скорость в квадрате. Измеряемое ускорение в уравнение Навье -Стокса представлено в виде коэффициента а, умноженного на ускорение свободного падения. Учитывая вышеизложенное, система уравнений для моделирования свободной конвекции в замкнутой микрокамере имеет следующий

где V - перегрев газа относительно верхней стенки микрокамеры; Р - температурный коэффициент расширения газа; Т| - кинематическая вязкость; V -скорость газа; Д - оператор Лапласа; V - набла-оператор; х=^Р°р - температуропроводность; к - теплопроводность; ср - удельная теплоемкостьл р - плотность газа.

Нормировка системы (7), (8) осуществлялась с использованием следующих выражений:

(9)

-П V = V —;

И

Г = Т(Тк-Т0); 1

х = х

А'

(10) (Н)

где V = (Vх,\у), Т , х - нормированные величины; Ть - температура нагревателя; То - температура стенок камеры.

После подстановки в уравнения (7) и (8) выражений с нормировочными коэффициентами (9) - (11), система уравнений имеет следующий вид:

где О = -7д)й3/т72 - число Грассгофа, Рг = г}!х - число Прандтля.

В случае работы микроакселерометра в режиме инклинометра, компоненты вектора а в сравнении (13) будут следующими:

где - угол отклонения относительно горизонта.

Компоненты вектора а для работы в режиме акселерометра будут иметь

вид:

5 = (-а;~ 1). (15)

Для двумерного случая, учитывая направление осей и боковое ускорение, описываемое выражением (15), система уравнений (12) и (13) будет следующей:

Граничные условия для уравнений (16) и (17), которые описывают скорость, будут иметь вид:

^=0; (19)

Уу =0, (20)

то есть учитывается эффект прилипания газа к стенкам камеры за счет вязкости.

Для уравнения теплопроводности (18) граничные условия будут следующими:

дня верхней и боковых стенок -Т = 0;

дня нижней теплоизолированной стенки -

(22)

для нагпевателя -

Г = 1;

(23)

Для акселерометра, работающего в режиме инклинометра, уравнение (12) будет иметь следующий вид:

ох су

Граничные условия для уравнений (24) и (25) будут такие же, как и для акселерометра, то есть (19) и (20).

Система уравнений (16) - (23) решена численно на равномерной сетке.

На основе полученной модели была разработана методика моделирования распределения температуры внутри микрокамеры.

Таким образом, представленные модели и методика моделирования свободной конвекции газа позволяют рассчитывать распределение температуры внутри микрокамеры акселерометра с учетом внешнего ускорения в режиме акселерометра и угла наклона относительно горизонта в режиме инклинометра.

В разработанной модели задается температура нагревателя, которая зависит от размеров моста и его теплопроводности, а также мощности нагревателя и его расположения на мосту.

Для расчета максимальной температуры нагревателя был использован метод электротепловой аналогии. Максимальный перегрев балки будет описываться следующим выражением:

где р - мощность теплового источника; к - теплопроводность моста; кс - коэффициент конвективной теплопередачи; Ь - длина балки; к, м> - высота и ширина балки, соответственно; - максимальный перегрев моста относительно подложки.

Быстродействие микроакселерометра в основном определяется временем нагревания кантилеверов, на которых находятся сенсоры температуры.

Для оценки времени нагрева кантилевера использовался метод электротепловой аналогии. Выражение, позволяющее рассчитать температуру канти-левера в зависимости от времени, имеет следующей вид:

(25)

(24)

Ь

(26)

где Ть - температура газа вокруг кантилевера; То- - температура подложки; р -плотность кремния; ср - удельная теплоемкость кантилевера; / - длина кантилевера; w — ширина кантилевера; к — толщина кантилевера.

На рис. 8 приведен график зависимости температуры кантилевера от времени при толщине кантилевера 5 мкм, 10 мкм, 25 мкм, 50 мкм и 100 мкм.

Из приведенного графика видно, что для увеличения частоты акселерометра необходимо уменьшать толщину кантилевера.

Зависимости температуры кантилевера от времени и толщины кантилевера

На рис. 9 представлены результаты численного моделирования распределения температуры внутри микрокамеры без учета конвекции. Для этого в уравнении (18) скорости были приравнены нулю.

На рис. 10 представлены результаты моделирования распределения температуры внутри микрокамеры с учетом конвекции при боковом ускорении а = 0. На рис. 11 представлены результаты моделирования распределения температуры внутри микрокамеры при различном боковом ускорении.

На рис. 12 даны зависимости разности температур dT от приложенного ускорения и расстояния между сенсором температуры и нагревателем при постоянной температуре нагревателя, равной Тк = 120 С, высоте камеры к - 1 мм и различной ширине камеры

Рис. 3.11

Зависимость разности температур от приложенного ускорения и расстояния между сенсором температуры и нагревателем

3 -10

IV = 6 мм и>—8мм

Рис. 12

Из рис. 12 видно, что максимальная разность температуры соответствует расстоянию (300 - 600) мкм до нагревателя. При увеличении ширины камеры w и сохранении постоянными высоты и температуры нагревателя, максимум разности температур смещается к 600 мкм и при дальнейшем увеличении ширины остается на этом же расстоянии от нагревателя. Значение максимума разности температур возрастает при увеличении ширины камеры до определенного значения и при дальнейшем увеличении ширины камеры остается постоянным.

На рис. 13 дана зависимость разности температур dTот угла наклона кристалла относительно горизонта и расстояния между сенсорами температуры и нагревателем.

График, приведенный на рис. 14, показывает, что результаты моделирования (сплошная прямая) хорошо согласуются с экспериментальными данными (кружочки), приведенными в литературе.

Зависимость разности температур от угла наклона на разном расстоянии от нагревателя

Зависимость разности температур от угла наклона

0,8 " угол (градусы)

Рис. 13

Зависимость разности температур от приложенного ускорения при различной высоте камеры

Изменение разности температур между

двумя датчиками под действием ускорения при различной температуре нагревателя

При увеличении высоты камеры и сохранении постоянным отношения высоты к ширине (1:2) возрастает разность температур, регистрируемая датчиками температуры, а следовательно и чувствительность акселерометра, однако при этом увеличивается нелинейность характеристик (рис. 15). Также возрастает чувствительность акселерометра при увеличении температуры нагревателя (16).

Из приведенного выше следует, что увеличение числа Грассгофа / г/ приводит к увеличению чувствительности акселерометра и увеличению нелинейности его характеристик (рис. 15, 16). На линейность характеристик акселерометра более сильное по сравнению с тем-

пературой влияние оказывают ширина и высота камеры (рис. 15), поскольку число Грассгофа имеет кубическую зависимость от размеров камеры.

С целью исследования разработанного конвективного микроакселерометра в НИИ МВС (г. Таганрог) был изготовлен экспериментальный образец. В качестве герметичной микрокамеры был использован корпус микросхемы, высота которого от кристалла до крышки составляет 1 мм, ширина - 4 мм. На рис. 17 представлена фотография изготовленного образца.

Сенсорами температуры в данной конструкции являются диффузионные терморезисторы Я! и Я (рис. 17), находящиеся на консольных балках. Они предназначены для измерения распределения температуры при различном угле наклона и внешнем ускорении. Диффузионный терморезистор Я,, расположенный на мосту, предназначен для оценки температуры нагревателя. Резисторы М и Ш2 , расположенные на мосту с двух сторон от терморезистора Я,, являются нагревателями. Два резистора необходимы для создания симметричного температурного поля при отсутствии внешнего ускорения.

Фотография кристалла акселерометра 2 1

График зависимости разности потенциалов от угла наклона

~-3Ч45,

К*'. Л *

; (с

1 - сенсор температуры Я3 для оценки темпе- - экспериментальные данные ратуры нагревателя; 2 - резистивные нагрева- "-" - результаты моделирования тели Яа; 3 - мост; 4 - сенсоры температуры; 1^1, Я2; 5 - контакты;,

Рис. 17

Рис. 18

Толщина моста и консольных балок составляет 50 мкм. Две подковообразные протравленные области необходимы для уменьшения кондукционной составляющей при теплообмене между нагревателем и сенсорами температуры. В качестве герметичной камеры использовался металлостеклянный корпус.

Исследование конвективного акселерометра проводилось при его работе в режим инклинометра.

Терморезисторы Ш и Я2 были включены в мостовую схему. По разбалан-сировке моста можно судить об угле наклона. На рис. 18 представлен график экспериментальной (кружочки) и рассчитанной (сплошная линия) зависимостей разности потенциалов от угла наклона при напряжении питания и„= 9 В. Расчеты, проведенные при данных, соответствующих экспериментальному образцу, подтверждают адекватность разработанной модели.

Разработана усовершенствованная конструкция интегрального акселерометра с учетом экспериментальных данных и результатов моделирования. Для увеличения чувствительности акселерометра была в 4 раза уменьшена ширина моста, на котором находится нагреватель, увеличена область сквозного профилирования для уменьшения кондуктивной составляющей при теплопереносе (рис. 19).

1 - область сквозного профилирования, 2 - нагреватель, 3 — диффузионные терморезисторы, 4 - металл. Размеры приведены в микрометрах

Топология акселерометра

\ /

к

Рис. 19

Зависимость разности потенциалов от Зависимость разности потенциалов от

На рис. 20 приведен график зависимости разности потенциалов от угла наклона разработанного конвективного микроакселерометра. Чувствительность составляет не менее 43 мкВ/ ° в режиме инклинометра. На рис. 21 приведена зависимость разности потенциалов от приложенного ускорения. Чувствительность составляет не менее 350 мкВ/(м/с2).

Основным достоинством данной конструкции является отсутствие операции микросборки для создания микрокамеры, поскольку ее роль выполняет герметичный корпус микросхемы. Это позволило увеличить объем микрокамеры, что привело к увеличению чувствительности акселерометра. По проведенным расчетам, чувствительность акселерометра на порядок выше, чем у аналога [V. Milanovi, Е. Bowen, N. Tea, J. Suehle, В. Payne, M. Zaghloul, M. Gaitan. Convection-based Accelerometer and Tilt Sensor Implemented in Standard CMOS // International Mechanical Engineering Conference and Exposition, MEMS Symposia. - Anaheim, CA, 1998, Nov. 18th.].

В четвертой главе приведены методики проектирования термоактюатора на основе биморфных балок и акселерометра на основе конвекции.

Разработанные методики позволяют по заданным характеристикам и технологии получить геометрические размеры термоэлементов. Обе методики основаны на итерационном алгоритме.

Исходными данными для методики проектирования биморфного термо-актюатора поворота являются: максимальный угол поворота, максимальная разность температур во включенном и выключенном состояниях термоактюа-тора, минимальная вырабатываемая сила, минимальная ширина поликремния, максимально допустимая занимаемая площадь.

Выходными данными являются: топологические параметры термоактюа-тора (ширина алюминиевого слоя, длина биморфной балки, начальный радиус,

угла наклона

ускорения

4

40

число витков спирали, минимальный шаг спирали), а также рассчитанные выходные характеристики (быстродействие, зависимость угла поворота от приложенного ускорения).

Методика проектирования конвективного микроакселерометра разработана для конструкции, в которой в качестве сенсоров температуры используются терморезисторы (см. рис. 19).

Исходными данными для методики проектирования акселерометра, основанного на конвекции, являются: максимальное измеряемое ускорение; чувствительность акселерометра; удельное поверхностное сопротивление резистора нагревателя; параметры сенсоров температуры (удельное сопротивление и тепловой коэффициент удельного сопротивления терморезисторов); физические свойства газа (теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность, коэффициент объемного расширения).

Выходными данными являются: топологические размеры резисторов нагревателя и сенсоров температуры, размеры микрокамеры; а также быстродействие, напряжение питания и выходные характеристики разработанного микроакселерометра.

В приложениях приводятся: матрицы коэффициентов системы уравнений (уравнения теплопроводности и уравнения Навье - Стокса, представленных в численном виде); описание пакета прикладных программ CONVECTION для моделирования свободной конвекции в герметичной микрокамере; документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- разработана интегральная конструкция термоактюатора на основе биморф-ных балок;

- разработаны механические модели термоактюатора для определения угла поворота и вырабатываемой силы;

- разработана модель для оценки быстродействия термоактюатора;

- разработана физико-топологическая модель для расчета распределения температуры в камере конвективного микроакселерометра;

- разработана методика и программные средства моделирования конвекции в замкнутой микрокамере под действием различных внешних воздействий (ускорения и угла наклона);

- разработаны модели для оценки температуры нагревателя акселерометра и его быстродействия;

- разработана методика проектирования термоактюатора на основе биморф-ных балок;

- разработана методика проектирования конвективного микроакселерометра.

Публикаиии по теме диссертаиионнойработы.

1. Куликова (Кравченко) И.В., Рындин Е. А. Конструкция термоактюатора горизонтального поворота микрозеркала. РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Восьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. - М.: Издательство МИЭТ, 2002. Т. 1.-С. 412-413.

2. Кравченко И. В. Моделирование топологических параметров термоактюа-тора поворота биморфной балки. // Сборник трудов Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». - ТаганропТРТУ, 2002.-С. 182-184.

3. Кравченко И. В. Термоактюатор поворота микрозеркала. // Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. №1(30).-С. 270-273.

4. Кравченко И.В., Рындин Е. А. Численное моделирование параметров би-морфного термоактюатора поворота. // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника». - Москва, 2003. - С. 133-134.

5. Куликова (Кравченко) И.В., Рындин Е.А. Анализ тепловых режимов кристаллов интегральных схем на основе карбида кремния. // Сборник трудов Седьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотбяьной электроники и микроэлектроники». - Таганрог: ТРТУ, 2000.-С. 75-78.

6. Кравченко И.В., Фомичев А.В. Конвективный инклинометр // Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления // VII всероссийская научная конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. — Таганрог: ТРТУ, 2004.- С 277-278.

7. Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Кравченко И.В. Моделирование распределения температуры в конвективном микроакселерометре // Микросистемная техника. 2004. № 11. -С.22-26.

Личный вклад диссертанта в работах, выполненных в соавторстве, заключается в следующем:

в [1] - разработана конструкция термоактюатора и механическая модель для определения угла поворота;

в [4] - разработана модель для определения быстродействия термоактюатора;

в [5] - разработана методика моделирования и программные средства для моделирования распределения температуры в кристалле.

в [6] - разработана методика моделирования микроакселерометра на основе конвекции;

в [7] — разработана модель для расчета распределения температуры в герметичной камере микроакселерометра;

Таганрог. Типография ТРТУ. 2005 г. Зак. №_ . Тираж 100 экз.

49

? г - щ

ВВЕДЕНИЕ.

1. АКТЮАТОРНЫЕ И СЕНСОРНЫЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК.

1.1. Актюаторные термоэлементы.

1.2. Моделирование актюаторных термоэлементов.

1.2.1. Тепловые актюаторы на основе линейного расширения.

1.2.2. Тепловые актюаторы на основе биморфных балок.

1.3. Сенсорные термоэлементы.

1.3.1. Интегральные инерционные датчики.

1.3.2. Интегральные термоакселерометры.

1.4. Моделирование свободной конвекции.

1.4.1. Анализ размерных эффектов при свободной конвекции в микрокамере.

1.4.2. Приближение Буссинеска для конвективного движения газа.

1.5. Выводы.

1.6. Постановка задач диссертационной работы.

2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТЕРМОАКТЮАТОРА.

2.1. Разработка конструкции интегрального актюатора поворота на основе биморфной балки

2.2. Моделирование биморфного термоактюатора.

2.3. Оценка погрешности модели.

2.4. Расчет количества витков биморфной балки.

2.5. Оценка быстродействия термоактюатора.

2.6. Анализ результатов моделирования.

2.7. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ТЕРМОАКСЕЛЕРОМЕТРА.

3.1. Разработка модели термоакселерометра.

3.1.1. Расчет перепада давления в герметичной микрокамере при внешнем ускорении.

3.1.2. Разработка модели распределения температуры в герметичной 4 микрокамере.

3.1.3. Расчет температуры нагревателя.

3.1.4. Оценка быстродействия микроакселерометра.

3.2. Анализ результатов моделирования и выработка рекомендаций по проектированию.

3.3. Экспериментальный образец интегрального термоакселерометра.

3.4. Разработка конструкции интегрального термоакселерометра.

3.5. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОСИСТЕМ С ИНТЕГРАЛЬНЫМИ

ТЕРМОЭЛЕМЕНТАМИ.

4.1. Методика проектирования биморфного термоактюатора.

4.2. Методика проектирования конвективного акселерометра.

4.3. Пакет прикладных программ CONVECTION для моделирования свободной конвекции в герметичной микрокамере.

4.4. Выводы.

Микросистемная техника (МСТ) является в настоящее время одним из наиболее развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений. Стремительное развитие МСТ-технологий за последние годы показало огромный потенциал этой области и позволило реализовать множество элементов, которые невозможно изготовить с использованием макротехнологий [1]. Многие страны объявили микросистемную технологию одним из важных пунктов своей национальной программы

4 развития [2, 3]. Темпы роста мирового рынка составляют порядка 20% в год и, согласно прогнозам [4-6], в 2005 году объем продаж составит 65 млрд. долл. В приоритетные направления развития науки и техники Российской Федерации в состав критических технологий Федерального уровня включена микросистемная техника [2].

Микросистемы изготавливаются по технологии интегральных схем (ИС). Именно интегральная технология позволила в сотни раз снизить стоимость микросистем [1, 7, 8]. Первыми элементами МСТ, появившимися в 80-х годах, были датчики давления и акселерометры. В последние 5 лет в МСТ-индустрии наблюдается бурный рост благодаря разработке новых продуктов, таких как оптические ключи, дисплеи с плоским экраном и различные датчики. Прогнозируемый большой рынок сбыта для МСТ продуктов является причиной высокого интереса к исследованиям в области МСТ [1, 3, 7-10].

Технологии изготовления МСТ делятся на 2 типа: технологии поверхностной и объемной обработки. Поверхностную обработку используют для создания 2Б-структур на кремниевых подложках [9]. Объемные технологии, такие как DIRE (Deep Reactive Iron Etch) и LIGA (акроним из немецких слов - lithography, electroplating, and molding), позволяют создавать структуры с большим аспектным соотношением [11-16].

Характеристические размеры элементов МС обычно составляют порядка 100 мкм. В макромире процессы теплопередачи являются достаточно инерционными [17], однако, благодаря малым характеристическим размерам, рабочая частота для микросистем с термоэлементами достигает сотни герц [18, 19]. Основным достоинством термоэлементов является их конструктивная и технологическая простота, большая вырабатываемая актюаторами сила по сравнению с другими типами активации элементов МСТ [20-27] и отсутствие подвижных частей для большинства сенсорных МСТ с термоэлементами [28-34], что позволяет значительно повышать их предельные нагрузки.

Важнейшей особенностью микросистем является то, что их разработка связана с различными областями физики, такими как механика, электромагнетизм, гидродинамика, теория упругости и другие. Однако теории, пригодные для макрообъектов, не всегда корректны для описания поведения объектов в микромире [18, 19, 35-40].

Поэтому разработка моделей интегральных элементов, позволяющих учитывать их размеры, является одним из основных направлений развития МСТ. Моделирование позволяет определять механические и физические параметры элементов, находить оптимальные конструктивные соотношения, не прибегая к экспериментальным исследованиям. Также не всегда возможно измерить такие физические величины, как температурное поле или распределение скорости в потоке газа в микромасштабе, не внося в них изменений. Однако данные величины играют важную роль в термосенсорах, которые построены на конвективной теплопередаче.

Поэтому разработка и исследование микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами и методик их моделирования и проектирования является актуальной задачей.

Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами, разработка методик моделирования и проектирования микросистем с термоэлементами.

Поставленная цель определяет следующие задачи:

- разработка и исследование конструкций и технологических маршрутов изготовления микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами;

- разработка и исследование физико-топологических и механических моделей микросистем с интегральными актюаторными и сенсорными термоэлементами;

- разработка методик моделирования микросистем с интегральными термоэлементами;

- разработка методик проектирования микросистем с интегральными термоэлементами.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- разработана механическая модель интегрального термоактюатора на основе биморфной балки, учитывающая физические и геометрические параметры балки;

- разработана двумерная физико-топологическая модель интегрального акселерометра на основе конвекции для двух режимов работы (акселерометра и инклинометра), позволяющая определять распределение температуры внутри герметичной микрокамеры с учетом внешнего ускорения и наклона относительно горизонта;

- выполнен теоретический анализ результатов моделирования термоакселерометра, который позволил выработать рекомендации по проектированию рабочей микрокамеры и топологических параметров термоэлементов.

Предложенные интегральные сенсорные и актюаторные термоэлементы МСТ, методики моделирования и проектирования могут быть использованы при проектировании высоконадежных микросистем с интегральными термоэлементами.

Основные результаты работы докладывались: на VI-VIII Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (с. Дивноморское, 1999-2002 гг.); VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (г. Москва, 2002 г.); на 48 научно-технической конференции ТРТУ (г. Таганрог, 2003 г.); на второй Всероссийской дистанционной научно-технической конференции «Электроника» (г. Москва, 2003 г.).

По теме исследований опубликовано 10 печатных работ, в ВНИИТЦ зарегистрировано 9 отчетов о НИР, выполненных при участии автора.

Основные положения, выносимые на защиту:

- интегральная конструкция актюатора на основе биморфной балки;

- механические модели интегрального актюатора на основе биморфной балки;

- интегральная конструкция акселерометра на основе конвекции; двумерная физико-топологическая модель интегрального акселерометра на основе конвекции для двух режимов работы (акселерометра и инклинометра), учитывающая угол наклона и внешнее ускорение; модели, позволяющие оценить быстродействие термоактюатора и акселерометра на основе конвекции; методики проектирования интегрального актюаторного термоэлемента (термоактюатор на основе биморфной балки); методики проектирования сенсорной микросистемы на основе термоэлементов (акселерометр на основе конвекции).

3.5. Выводы

Разработана модель, позволяющая рассчитывать распределение температуры в герметичной микрокамере, заполненной газом, с учетом внешнего ускорения и угла наклона относительно земли. На основе полученной модели разработана программа, позволяющая моделировать распределение температуры в герметичной микрокамере с учетом конвекции, ускорения и угла наклона относительно горизонта.

На основе результатов моделирования был проведен анализ влияния размеров камеры и температуры нагревателя на распределение температуры в микрокамере, а также на разность температур, регистрируемой датчиками, при внешнем ускорении. Проведенный анализ позволил выработать рекомендации по проектированию микроакселерометра.

Разработана аналитическая модель, позволяющая оценить температуру нагревателя в зависимости от размеров моста, на котором он находится, а

• также напряжения питания и сопротивления нагревателя.

Полученная модель позволяет оценить влияние габаритов моста и параметров резистора на максимальную температуру резистора.

Разработана конструкция интегрального акселерометра с учетом результатов моделирования и особенностей технологии изготовления, применяемой в НИИ МВС ТРТУ.

Основным достоинством данной конструкции является ее технологичность, поскольку в разработанной конструкции роль микрокамеры выполняет герметичный корпус микросхемы. Это позволило увеличить объем микрокамеры, что привело к увеличению чувствительности акселерометра. По приведенным в главе 3.4 расчетам, чувствительность акселерометра на порядок выше, чем у аналогов приведенных в [31, 32].

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОСИСТЕМ С ИНТЕГРАЛЬНЫМИ ТЕРМОЭЛЕМЕНТАМИ

4.1. Методика проектирования интегрального биморфного термоактюатора

Разработанная методика проектирования биморфного термоактюатора поворота, позволяющая учесть физико-топологические параметры балки, содержит следующие этапы:

1°. Исходные данные:

- максимальный угол поворота

- максимальная разность температур во включенном и выключенном состояниях актюатора;

- минимальная вырабатываемая сила;

- минимальная ширина поликремния hsi биморфной балки;

- максимально допустимая занимаемая площадь S.

2°. В соответствии с выражением (2.24) задается минимальная ширина алюминия hAi, необходимая для работы актюатора.

3°. В соответствии с выражением (2.19) рассчитывается необходимая длина биморфной балки /.

4°. Задается начальный радиус R0 в соответствии с критерием:

4.1) где А - минимальный топологический размер.

5°. Задается число витков спирали п и погрешность определения числа витков delta.

6°. Рассчитывается минимальный шаг спирали d по выражению: d = 2{h + z)\ (4.2)

ГвЛ2

Ro; (4.3) где h - ширина биморфной балки; z - расстояние между соседними витками.

7°. В соответствии с выражением (2.38) оценивается количество витков биморфной балки п \

8°. Если |пп\ < delta, то осуществляется переход в пункт 9°, иначе п = п' и осуществляется переход в пункт 6°.

9°. Рассчитывается занимаемая актюатором площадь S'. Если S'>S, то уменьшается начальный радиус R0 в sJS'/S раз и осуществляется переход в пункт 4°.

10°. По выражению (2.46) рассчитывается необходимая мощность для нагрева балки на заданную температуру.

11°. Для оценки быстродействия, рассчитывается время остывания балки, по выражению: t = -ln fT(t)-T0)l cpl2hwp

KTh~TQ J2 kSihw + l2kc (iw + h) где Т0 — температура окружающей среды; Г/, — максимальная температура балок; р - плотность; ср - удельная теплоемкость; / - длина балки; h — ширина балки; w — высота балки; ksi - теплопроводность кремния; кс - коэффициент конвективной теплопередачи.

Разработанная методика позволяет рассчитать требуемые геометрические размеры биморфной балки в зависимости от угла поворота актюатора, разности температур во включенном и выключенном состояниях актюатор и максимальной занимаемой площади.

4.2. Методика проектирования интегрального конвективного акселерометра

Разработанная методика проектирования акселерометра, основанного на конвекции, позволяющая учесть габариты камеры и параметры нагревателя, такие, как сопротивление, толщину и ширину моста, содержит следующие этапы:

1°. Исходные данные:

- максимальное измеряемое ускорение амакс;

- чувствительность акселерометра S0;

- напряжение питания нагревателя;

- удельное поверхностное сопротивление резистора нагревателя;

-параметры сенсоров температуры: удельное сопротивление и тепловой коэффициент удельного сопротивления терморезисторов Q.

- физические свойства газа: теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность, коэффициент объемного расширения;

3°. Используя выражение (3.38), рассчитывается перегрев нагревателя относительно корпуса Ттах.

4°. Рассчитывается минимальная высота рабочей камеры h в соответствии с выражением [86]: h = max

4.5) где амакс задается в единицах g\ Р — коэффициент объемного расширения газа; Т] — кинематическая вязкость газа; g - ускорение свободного падения; Gr —число Грассгофа (задается около 300, для того чтобы зависимость разности температур от ускорения была линейной). При этом высота прослойки газа, расположенной под нагревателем, не входит в рассчитываемую высоту. Высота камеры должна быть более 10 мкм [86].

5°. Учитывая полученную высоту, рассчитываются габариты камеры в соответствии с критериями: l>AhmV

4.6) w>4/2min;

4.7) где 1 - длина камеры; w - ширина; hmin =10 мкм.

6°. Задаются координаты сенсоров температуры. Если ширина камеры менее 2 мм, то расстояния между датчиками температуры и нагревателем

7°. С использованием разработанного пакета программ CONVECTION рассчитывается зависимость разности температур в координатах расположения датчиков, определенных в пункте 6°, от ускорения.

8°. Рассчитывается относительная чувствительность акселерометра в соответствии с выражением: s = (\ + QdTMaKC/2)^ амакс S где dTMaKC - разность температур при максимальном ускорении.

9°. Сравниваются рассчитанная чувствительность акселерометра с заданной. Если S > So, то осуществляется переход к пункту 11°, иначе - к пункту 10°.

10°. Уменьшить сопротивление резистора нагревателя So/S раз и осуществляется переход к пункту 3°.

11°. Используя зависимости температур, полученные в пункте 7°, рассчитывается зависимость удельного сопротивления от направления и величины ускорения.

Методика приведена для конструкции, в которой в качестве сенсоров температуры используются терморезисторы, а резистор нагревателя имеет прямоугольную форму.

Разработан пакет прикладных программ (111111) CONVECION, позволяющий моделировать распределение температуры в герметичной микрокамере. В основу 111111 положен итерационный алгоритм, позволяющий численно решить систему дифференциальных уравнений, которая состоит из уравнения теплопроводности и уравнения Навье -Стокса в приближении Буссинеска. Входными данными являются:

- физические свойства газа, такие, как плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, коэффициент объемного расширения;

- параметры микрокамеры: высота и ширина микрокамеры, температура ее стенок, координаты расположения и ширина нагревателя, а также его температура;

- внешние воздействия: ускорение и угол наклона относительно земли. Программа рассчитывает влияние угла наклона и внешнего ускорения на распределение температуры в микрокамере, что позволяет определять основные параметры микроакселерометра, такие, как координаты датчиков температуры, габариты микрокамеры и температуру нагревателя. Интерфейс программы CONVECTION описан в приложении 2.

1. Предложена методика проектирования биморфного актюатора, позволяющая рассчитать требуемые геометрические размеры биморфной балки в зависимости от угла поворота актюатора, и максимальной занимаемой площади

2. Предложена методика проектирования интегрального конвективного акселерометра, позволяющая рассчитать требуемые параметры микрокамеры, нагревательного элемента и сенсоров температуры.

3. Разработан 111111 CONVECTION, позволяющий рассчитывать зависимость разности температур, регистрируемой сенсорами, от ускорения или угла наклона, при различных габаритах микрокамеры и температуре нагревателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения теоретических и экспериментальных исследований в рамках диссертационной работы решены следующие задачи и получены следующие результаты:

1. Разработана конструкция интегрального термоактюатора на основе биморфной балки, изготавливаемого на основе планарной MUMPs технологии.

2. Разработаны аналитические модели интегрального термоактюатора на основе биморфной балки, позволяющие ощенить угол поворота, вырабатываемую силу и быстродействие.

3. Разработана численная двумерная модель для стационарного случая, позволяющая рассчитывать распределение температуры в микрокамере термоакселерометра, на основе уравнения Навье - Стокса в приближении Буссинеска и уравнения теплопроводности.

5. Получена аналитическая модель, позволяющая оценить температуру нагревателя при задании габаритов, теплопроводности моста и сопротивления нагревающего резистора в зависимости от подаваемого напряжения.

6. Разработана методика и пакет программ моделирования распределения температуры в микрокамере, заполненной газом.

7. На основе анализа полученных результатов моделирования усовершенствована конструкция интегрального акселерометра на основе конвекции.

8. Разработана методика проектирования предложенного интегрального термоактюатора на основе биморфной балки.

9. Разработана методика проектирования интегрального акселерометра на основе конвекции.

В ходе выполнения диссертационной работы полученные результаты нашли практическое применение в научно-исследовательских работах №№ 13056/4, 13460, 13461, 13462, 13463, 13056, выполняемых в период с 2001 по 2003 г. в учебно-научно-техническом центре факультета электроники и приборостроения (УНТЦ ФЭП) и кафедре конструирования электронных средств (КЭС), в учебном процессе ТРТУ в курсах «Компоненты микросистемной техники», «Специальные разделы физики».

По результатам диссертационной работы в НИИ МВС изготовлены экспериментальные образцы интегральных микроакселерометров на основе конвекции.

1. В.Д. Вернер, П.П. Мальцев, И.А. Пурцхванидзе. Организация формирования и реализации национальных и региональных программ по микросистемам и нанотехнологиям // Микросистемная техника. 2002. № 12C.9-11.

2. Rick Cook. Smart artillery shells promise a major MEMS device market.

3. URL: httpWwww.smalltimes.com.

4. В.Д. Вернер, И.А. Пурцхванидзе. Микросистемы: проблемы и решения. //Микросистемная техника. 2002. № 10 С.13-17.

5. Bacher W et al (1995). The LIGA technique and its potential for microsystems A survey // IEEE Trans, on Industrial Electronics 42: 431441.

6. G. Fedder. MEMS Fabrication // Proceedings of the IEEE International Test Conference (ITC '03), Sep. 30-0ct. 2, 2003, Charlotte, North Carolina

7. В. В. Лучинин, Ю. M. Таиров, А. А. Васильев. Особенности материаловедческого и технологического базиса микросистем // Микросистемная техника. -1999. -№1. -С. 7-11.

8. Мальцев П. П., Телец В. А. Никифоров А. Ю. Технология и изделия микроэлектромеханики // Микросистемная техника. 2001. -№10.-С. 25-27.

9. D. A. Koester, R. Mahadevan, В. Hardy, К. W. Markus. MUMP Design Handbook. Revision 6.0. URL: http://www.memsrus.com/cronos

10. W. Ehrfeld, V. Hessl, H. Lowe, Ch. Schulz, L. Weber. Materials of LIGA technology // Microsystem Technology. -1999. №5. - pp. 105-112.

11. A. Both, W. Bacher, М/ Heckele, K.-D. Muller, R. Ruprecht, M. Strohrmann. Fabrication of LIGA-acceleration sensors by aligned molding // Microsystem Technology. -1996. №2. - pp. 104-108

12. W. Menz, W. Bacher, O. F. Hagena, J. Mohr, D. Seidel. Combination of LIGA with other microstructure technologies // Microsystem Technology. -1996.-№2.-pp. 162-166.

13. B.A. Колясников, Т.Я. Рахимбабаев. Микрожидкостные системы и их реализация с использованием LIGA-технологии // Микросистемная техника. -1999. -№1. С. 15-21.

14. И.В. Годовицын, Н.А. Шелепин, Г.А. Лыженкова. Формирование поверхностных микромеханических структур из пленок поликремния // Известия вузов. Электроника. 1997. — №2. — С. 49-54.

15. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. Издательство: Едиториал УРСС, 2003 г. 784 стр.

16. Zeng-Yuan Guo "Size Effect on Microscale Flow and Heat Transfer". URL: http://l95.15.67.226/ext/heattransfer/public/

17. Zeng-Yuan Guo, Zhi-Xin Li, Xiao-Bing Luo "Size effect on free convection in a square cavity" URL: httpWwww.ichmt.org/abstracts/MECT-02

18. Moulton, G.K. Ananthasuresh. Micromechanical devices with embedded electro-thermal-compliant actuation // Sensors and Actuators. A 90.-2001.-pp. 38-48.

19. A. Oz and G. Fedder. CMOS Electrothermal Lateral Micromovers for Actuation and Self-Assembly // Proceedings of the 2003 SEM Annual Conference on Experimental and Applied Mechanics (SEM Annual '03), June 2-4, 2003, Charlotte, North Carolina.

20. E. T. Carlen, С. H. Mastrangelo. Electrothermally activated paraffin microactuators // Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.11, Issue.3, June 2002, pp.215-221.

21. J. Jonsmann, O. Sigmund, and S. Bouwstra. Compliant electro-thermal microactuators // IEEE Conf. on Micro Electro Mechanical Systems, Orlando, FL, 1999, pp. 588-592.

22. Adisorn Tuantranont, Li-Anne Liew, Victor M. Bright, Jianglong Zhang, Wenge Zhang, Y. C. Lee. Bulk-etched surface micromachined and flip-chip integrated micromirror array for infrared applications. URL: http:// www.ieee.org

23. Bruce К. Gale. Mechanical MEMS. Fundamentals of Micromachining. URL: http://www.eng.utah.edu/

24. Types of Temperature Sensors. URL: http://www.temperatures.com.29. 2004 Sensor Survey: What Do You Use Most? URL:http://www.tempsensor.net.

25. U.A. Dauderstadt, P.J. French. A Thermal Accelerometer. URL: http://www.stw.nl.

26. R. Allan. Heat Convection Yields Integrated CMOS MEMS Accelerometer // (Technology Information) Electronic Design. -2001. July 9.

27. Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. Л.: Изд. академии наук СССР. 1959. - 103 с.

28. MOVING WITH HEAT. European Semiconductor. URL: http://www.eurosemi.eu.com

29. Горнев E. С., Зайцев H.A., Вавилов M. Ф., Романов И. М. Моделирование элементов микромеханики. Часть I // Микросистемная техника. -2002. -№10. С. 18-25.

30. Горнев Е. С., Зайцев Н. А., Вавилов М. Ф., Романов И. М. Моделирование элементов микромеханики. Часть II // Микросистемная техника. -2002. -№11. С. 2-5.

31. Y. Islamoglu, С. Parmaksizoglu. Numerical investigation of convective heat transfer and pressure drop in a corrugated heat exchanger channel // Applied Thermal Engineering 24 (2004) 141-147.

32. Y. Asako, M. Faghri, Finite-volume solution for laminar flow and heat transfer in a corrugated duct // Transaction of the ASME Journal of Heat Transfer 109 (1987) 627-634

33. R.C. Xin, W.Q. Tao. Numerical prediction of laminar flow and heat transfer in wavy channels of uniform crosssection area // Numerical Heat Transfer 14(1988)465-481.

34. Z-X. Yuan, W.-Q. Tao, Q.-W. Wang. Numerical prediction for laminar forced convection heat transfer in parallelplate channels with stream wise-periodic rod disturbances // International Journal of Numerical Method in Fluids 28 (1998) 1371-1387.

35. John H. Comtois, M. Adrian Michalicek, Carole Craig Barron. Fabricating Micro-Instruments in Surface-Micromachined Polycrystalline Silicon // Proceedings of the 43rd International Instrumentation Symposium Instrument Society of America, 1997.

36. M. Adrian Michalicek. Introduction to MEMS. URL: http://mems.colorado.edu.

37. Nilesh Mankame, G. K. Ananthasuresh. The Effect of Thermal Boundary щ Conditions and Scaling on Electro-Thermal-Compliant Micro Devices.

38. URL: http://www.comppub.com.

39. R. Yeh, R. A. Conant, K.S.J. Pister. Mehanical digital-to-analog converters. URL: http://www.bsac.eecs.berkeley.edu.

40. G. Fedder and R. T. Howe. Thermal Assembly of Polysilicon Microstructures // Proceedings of the 4th IEEE International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS '91), pp. 63-68, Jan. 30-Feb. 2, 1991, Nara, Japan.

41. F. G. Tseng. Lecture 7-1 MOSIS/SCNA Design Example Piezoresistive type Accelerometer I. URL: http://www.ess.nthu.edu.tw.

42. F. G. Tseng. Lecture 7-2 MOSIS/SCNA Design Example Piezoresistive type Accelerometer II. URL: http://www.ess.nthu.edu.tw.

43. F. G. Tseng. Lecture 7-3 MOSIS/SCNA Design Example Piezoresistive type Accelerometer III. URL: http://www.ess.nthu.edu.tw.

44. Jack W. Judy, Richard S. Muller, Hans H. Zappe. Magnetic Microactuation of Polysilicon Flexure Structures. // Solid-State Sensor and Actautor Workshop Hilton Head, South Carolina, June 13-16, 1994.

45. Heatuator PCell. URL: http://www.sfu.ca.

46. F. G. Tseng. Lecture 9-1 Thermal Actuators. URL: http://www.ess.nthu.edu.tw.

47. T. Ebefors, J. Mattsson, E. K.Ivesten, G. Stemme. Three dimensional microstructures based on polyimide joints.

48. URL: http://www.s3.kth.se/mst/research.

49. T. Ebefors, E. Kalvesten, C. Vieider, G. Stemme. New robust small radius joints based on thermal shrinkage of polyimide in V-grooves.

50. URL: http://www.s3 .kth.se/mst/research.

51. Thorbjorn Ebefors, Johan Mattsson, Edvard Kalvesten, Goran Stemme. New small radius joints based on thermal shrinkage of polyimide in V-grooves for robust self-assembly 3D microstructures // J. Micromech. Microeng. 8(1996), pp. 188-194.

52. Michael J. Riezenman. In Search of Transparent Networks // IEEE Spectrum online. URL: http://www.spectrum.ieee.org

53. URL: http://www.memsrus.com.

54. URL: http://www.coventor.com.

55. Коноплев Б.Г., Лысенко И. E. Моделирование интегральной микросборки элементов МОЭМС с использованием шарниров на основе полиимида // «Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы», 2001 -№4(8).- С.52-58.

56. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. -М.: Мир, 1982.-520 с.

57. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. VII. Теория упругости: Учеб. пособие. — 4-е изд., испр. и доп. — М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат. лит., 1987. — 248 с.

58. S. V. Iyer and Т. Mukherjee, Numerical Spring Models for Behavioral Simulation of MEMS Inertial Sensors // Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP '00), pp. 55-62, May 9-11, 2000, Paris, France.

59. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. — М., Изд-во «Наука», 1974.-291 с.

60. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. — М.: Энергоатомиздат, 1992. 304 с.

61. John Pyle. Making MEMs Technology Cost-Effective Electronic Component // Electronic Component News 11/1/2002. http://www.e-insite.net

62. И. M. Викулин, В.И. Стафеев. Полупроводниковые датчики. М.: Сов. радио. -1975. - 104 с.

63. И. А. Каляев, В.Н. Котов, А. П. Кухаренко. Микроэлектронные сенсорные системы: опыт создания и применения // Микросистемная техника. 1999г. -№1. - С. 32-35.

64. О.А. Агеев, В. М. Мамиконова, В.В. Петров, В.Н. Котов, О.Н. Негоденко. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин. Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 153 с.

65. Шелепин Н. А. Кремниевые преобразователи физических величин и компоненты датчиков. Датчики и микросистемы на их основе// Микросистемная техника. 2002г. -№9. - С. 2-10.

66. Improved ±1 g Dual Axis Accelerometer with Ratiometric Outputs. URL: http://www.memsic.com

67. A.W. van Herwaarden and P.M. Sarro. Doublebeam integrated thermal vacuum sensor// J.Vac.Sci.Technol., A Vol. 5 No. 4:2454-2457,1987.

68. Ulrich Bonne and Dave Kubisiak. Burstproof, thermal pressure sensor for gases // Solid-State Sensor and Actuator Workshop Hilton Head, pages 7881,1994.

69. O.M. Grudin. Thermal microsensor with a.c. heating for gas-pressure measurements // Sensors and Actuators, A 62:571-575, 1997.

70. J. van Kuijk. Multi-parameter detection in fluid flows // Sensors and Actuators, A 46-47:369-372,1995.

71. J.J. van Baar, R.J. Wiegerink, G.J.M. Krijnen and M.C. Elwenspoek. Determination of fluid and flow parameters using heat transfer. URL: http://www.el.utwente.nl.

72. J.J. van Baar, R.J. Wiegerink, T.S.J. Lammerink, G.J.M. Krijnen, and M. Elwenspoek. Micromachined structures for thermal measurements of fluid and flow parameters // JMM, volume 11, issue 4 (July):311-318, 2001.

73. J.J. van Baar, R.J. Wiegerink, G.J.M. Krijnen and M.C. Elwenspoek. Micro-machined structures for thermal measurement of fluid and flow parameters. URL: http://www.el.utwente.nl/

74. J.J. van Baar, R.J. Wiegerink, J.W. Berenschot, T.S.J. Lammerink, G.J.M. Krijnen, M. Elwenspoek. Pressure sensor based on distributed temperature sensing. URL: http://www.el.utwente.nl.

75. JJ. van Baar, R.W. Wiegerink, G.J.M. Krijnen, T.S.J. Lammerink and M. Elwenspoek. Sensitive thermal flow sensor based on a micro-machined two dimensional resistor array. URL: http://www.el.utwente.nl/

76. Micromechanical Sensors. URL: http://www.el.utwente.nl/tt/education/mandt/

77. N. Yazdi, F. Ayazi, K. Najafi. Micromachined Inertial Sensors // Proceedings of the IEEE, vol. 86, no. 8, August 1998

78. W. Reithmuller, W. Benecke, U. Schnakenberg, B. Wagner. A smart accelerometer with on-chip electronics fabricated by a commercial CMOS process // Sensors Actuators. -1992.vol. A-31, pp. 12-124.

79. K. Park, C. Lee, H. Jang, Y. Oh, В. Ha. Capacitive sensing type surface micromachined silicon accelerometer with a stiffness tuning capability // IEEE Workshop on MEMS. 1998. Heidelberg, pp. 637-640.

80. H. K. Rocksatd, T. W. Kenny, J. K. Reynolds, W. J. Kaiser, Т. B. Gabrielson. A miniature high-sensitivity broad-band accelerometer basedon electron tunneling transducers // Sensors Actuators A. 1994. vol. 43, pp. 107-114.

81. Ландау JI.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. Т. VI. Гидродинамика. 5-е изд., стереот.-М.:ФИЗМАТЛИТ, 2001.- 736 с.

82. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т.

83. Т.1. Механика. Молекулярная физика. 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 432 с.

84. Mohamed Gad-el-Hak. The MEMS Handbook, CRC Pree LLC , 2002. 874 p.

85. Федосеев В. И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов — 9-е изд., перераб. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986. — 512 с.

86. Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — 13-е изд., исправленное. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 544 с.

87. Кравченко И. В. Моделирование топологических параметров термоактюатора поворота биморфной балки. // Сборник трудов

88. Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Таганрог: ТРТУ, 2002.-С. 182-184.

89. Кравченко И. В. Термоактюатор поворота микрозеркала. // Известая ТРТУ. Специальный выпуск. «Материалы XLVIII таучно-технической конференции ТРТУ». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. №1(30).-С. 270273.

90. Кравченко И.В., Рындин Е. А. Численное моделирование параметров биморфного термоактюатора поворота. // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника» Москва, 2003. - С. 133-134.

91. Разработка и исследование конструкций элементов микрооптикоэлектромеханических систем (МОЭМС). (промежуточный отчет) ГР №01.20.00 07386, рук. темы Механцев Е.Б. -Таганрог: ТРТУ, 2001, 25 с.

92. Разработка и исследование конструкций элементов микрооптикоэлектромеханических систем (МОЭМС). (Заключительный отчет) ГР № 01.20.0007386, рук. темы Механцев Е.Б. -Таганрог: ТРТУ, 2003, 27 с.

93. Исследование сетевых технологий построения информационных систем анализа и обработки результатов мониторинга природнойсреды. (Заключительный отчет) ГР № 01200007386, рук темы Коноплев Б.Г. Таганрог: ТРТУ, 2003, 77с.

94. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И. К. Кикоина. — М.; Атомиздат, 1976, — 1008 с.

95. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова.1. А)

96. М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

97. Рындин Е.А. Методы решения задач математической физики: Учебное пособие. Таганрог. ТРТУ, 2003. 119с.

98. Разработка методов проектирования и основ технологии изготовления микролабораторий на кристалле для определения состава веществ. (Промежуточный отчет) ГР № 01200305200, рук темы Коноплев Б.Г. -Таганрог: ТРТУ, 2003, 57с.

99. Разработка и исследование элементов СБИС с размерным квантованием энергии. (Промежуточный отчет) ГР № 01200305259, рук темы Е.А. Рындин — Таганрог: ТРТУ, 2003, 66с

100. Ю.Коноплев Б.Г., Рындин Е.А., Кравченко И.В. Моделированиераспределения температуры в конвективном микроакселерометре // Микросистемная техника. 2004. № 11. -С.22-26.

101. Матрицы коэффициентов системы уравнений

102. Для / = 2,3,.,7-1, / = 2,3,1: А ц=Ргrv V Л1. X • • V ■ ■1. J + у '.Ус dy2 2 +-=-4dy2 'v* / / i dx dx21. AU+I=-j2> dy1. A l,l-l= ~Pr1. У и 1

103. Ф dy2 Для / = 1,2,.,/: A/,/ = 1 > Ai+{j-\)l,i+{j-l)l =1» Aj+^-i)/, /+(j-2)/ = -1 •1. Для / = 2,3,., J-l:

104. Ai+(/-l)/, l+O-l)/ = 1> A/+0-1)/, /+0-1)/

105. Значения коэффициентов матрицы В

106. Для / = 2,3,.,/-1, / = 2,3,.J-1: Si+(J-\)I =01. Для / = 1,2,.,/: Bt= О,5/+(J-l)/ =1 • Для 7 = 2,3,., J-l:51+(у-1)/ = °>

107. Значения коэффициентов матрицы А

108. Для / = 2,3,.,/-1, У = 2,3,.,7-1: 2 21. А 1. A -J1. А 11. A -J-11. W Л/-/ " Л,2 'А

109. Для / = 1,2,./: Аух ■ -■ = 1»м

110. Для у = 2,3,.,/-1: l+0-l)/, 1+0-0/ = 1' 7+0-1)/, /+0-1)/= 1 •

111. Значения коэффициентов матрицы Bvxe режиме акселерометра Для / = 2,3,.7-1, j = 2,3,.J-\:

112. B**,+U-l)i=a'Gr-TU-Для / = 1,2,./: Bvx . = 0,

113. BvxiHJl)I= О-Для у = 2,3,.,/-1:5vx1+a1)7=0,

114. Значения коэффициентов матрицы Вvx в режиме инклинометра

115. Для / = 2,3,.,/-1, y = 2,3,.J-l:1. Г z+cy-i)/ = sina • Gr. .

116. Для / = 1,2,.,/: Л vx . = О,w-i)/=0'

117. Для y = 2,3,.J-l: i+C/-i)/=0'

118. Значения коэффициентов матрицы А Для/ = 2,3,./-1, 7 = 2,3,.J-1:1. A -Jv ~ dy2 ' А 11. Для / = 1,2,.,/:

119. Для у = 2,3,.J-1: i+(>-i)/,i+(/-l)/=1' /+С/-1)/, /+0-0/

120. Значения коэффициентов матрицы Bvy в режиме акселерометра Для / = 2,3,.,/-1, У = 2,3,.,У-1: BvyiHM)I=Gr"TiJ-Для / = 1,2,./:1. Вуу .=0,

121. Для у = 2,3, .J-1: 1+0-1)/ = °'

122. Значения коэффициентов матрицы Вуу в режиме инклинометра Для / = 2,3,.,/-1, у = 2,3,.J-1: Bvyi+Ul)I=C0Sa-Gr-TiJ-Для i = \, 2,.,/:1. Для j = 2,3,.J-l:1.U-l)l =0if