автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка методов построения и проектирования многоосевых компонентов для микрооптикоэлектромеханических систем

88- !оь

На правах рукописи

ЛЫСЕНКО Игорь Евгеньевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГООСЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ МИКРООПТИКОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах (по техническим наукам)

Г

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005547269

Таганрог-2013

005547269

Работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств факультета электроники и приборостроения ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет».

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Коноплев Борис Георгиевич, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог

Абрамов Игорь Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», г. Минск, профессор кафедры микро- и наноэлектроники

Корляков Андрей Владимирович, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)», г. Санкт-Петербург, директор НОЦ «Нанотехнологии»

Лаврентьев Анатолий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет», г. Ростов-на-До ну, заведующий кафедрой электротехники и электроники

ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "МИЭТ"», г. Зеленоград, г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ч. 20 мин. на федеральном ул. Шевченко,

Защита диссертации состоится «10» октября 2013 г. в 14 заседании диссертационного совета Д212.208.23 при Южном университете по адресу: 347922, г. Таганр^ ростовской области, д. 2, Е-306.

С диссертацией можно Южного федерального

университета '"" ~ ^

Автореферат разослан « /V»

Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ( О ), линейных ускорений (а) и микромеханические зеркала.

Сенсоры величин Пи а 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 СРБ-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 £2 и сенсоров а путем проведения исследований в области создания функционально

интегрированных структур, позволяющих регистрировать П и а 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 НЛП «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 Пия, 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 П и а. 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 П и а 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, П и а 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 б-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 Пий;

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 Йиапо 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».

Апробаиия 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 - X 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, IX-XII Международных НТК «Опто-, ианоэлектроника, 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.

Публикаиии

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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы, поставлена цель и определены задачи и методы исследования, сформулированы научная новизна и основные защищаемые положения, приведены другие общие характеристики работы.

В первой главе проведены анализ и систематизация методов построения микромеханических сенсоров угловых, микромеханических зеркал и устройств

обработки сигналов.

Вторая глава посвящена разработке методов построения и проектирования функционально интегрированных двухмассовых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений (ММГА) ЬЬ-типа.

Предложенный метод построения двухмассовых сенсоров заключается в функциональной интеграции сенсоров угловых скоростей ЬЬ-типа с сенсорами линейных ускорений Ь-типа с параллельным подвесом, что позволяет обеспечить

регистрацию □ по 2-м осям чувствительности и а - по трем.

На рисунке 1 представлена топология разработанного сенсора,

позволяющего регистрировать величины О. по осям X и Ъ, и а - осям X, У, Ъ.

49 14 15 50

; 3? 57 "Т| 5 ^12 ^ 2 ;13 |58/~ ЛГ 7 Ь?

47,<19/_18/ \44

Рисунок 1 - Топология интегрального сенсора ЬЬ-типа

Разработанная модель для одного чувствительного элемента ММГА, полученная на основе уравнения Лагранжа 2-го рода, имеет вид:

(тп+ты)

у-\ а2 +02 г

1 х г ) х

- т

П г + П л:

x м 2 м

дЖ

= -к у---Р У+Р ;

У ду у у эл

К+%)

'¿-О. г + £2 у х х

м

г -С1 г

м х г м хм

81¥

=-к г---р г + Г ;

2 Эг 2

(1)

т

м

-О

м

О (г + г )■ х м

у-П х

2 м

— —к х хм м

дШ

дх

— р х + Р ; хм м хм

(3)

м

т

'м

г + 2 + О м х

у + О х -О (г

2 м x

■г ) м

= -к г ги м

дг

Р 2 +F .(4) гм м гм

где у, г, хм, гм - перемещения чувствительного элемента и инерционной массы (ИМ); тп тм - массы подвижных электродов и ИМ; ку, кю кхч, к2м -коэффициенты жесткости; Д, /?г, ры, - коэффициенты демпфирования;

^ ~ угловые скорости; Рх, Ру, ¥г - силы инерции; Рэл - электростатическая сила; - энергия заряженного конденсатора.

Аналогичной будет модель дня второго чувствительного элемента.

Разработаны модели для определения коэффициентов жесткости упругих подвесов подвижных электродов и инерционных масс.

Как показали результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, погрешность моделирования частоты собственных колебаний с использованием полученных моделей по сравнению с численными методами и моделями, приведенными в литературе, не превышает 10%.

На рисунке 2 представлены результаты моделирования изменений емкостей преобразователей перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейного ускорения на основе предложенной модели (1)-(4) и экспериментальных результатов при 14,= 230 шт., Ь=3 мкм и ку= кхт=0,127 Н/м.

Как видно на рисунке 2, погрешность моделирования изменений емкостей преобразователей перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейных ускорений с использованием предложенной модели ММГА (1)-(2) по сравнению с экспериментальными результатами не превышает 10%.

Из условия равенства собственных частот колебаний чувствительных элементов ММГА в режимах движения (РД) и чувствительности (РЧ) получены критерии их согласованности.

Рисунок 2 - Зависимость изменений емкостей преобразователей перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейных ускорений

На основе выражений для оценки жесткости консольных балок и расчета электростатической силы, создаваемого планарными электростатическими приводами получен критерий оценки максимальной длины пальцев гребенок электродов электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений.

На основе разработанной модели ММГА и моделей коэффициентов жесткости их упругих подвесов, предложенных критериев согласованности частот колебаний в режимах РД и РЧ, и критериев оценки электродов электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений было разработано параметризуемое УНОЬ-АМБ описание микромеханического сенсора. Моделирование выполнялось при следующих исходных данных: Ь38=500 мкм, Ь48= 750 мкм, \у38= ш48= 5 мкм, Ь= 5 мкм, иоп= 5 В, Х10т= 4,5В, иепп= 2 В, со5= ЮОшу, Ох=а2= ± 200 град./с, ах=ау=а2= ± 2 N(,=N,=N2= 100 шт., go= 1 мкм, gl= 3 мкм, g2= Ю мкм, яз= 2 мкм, 1э=\уз= 400 мкм, ц=12=1а= 70 мкм.

На рисунке 3 представлены результаты моделирования предложенного ММГА при изменении угловых скоростей и линейных ускорений.

10!» сп

-шшшшшшшшш— _1

-МООп ЮОО.Оп

Рисунок 3 - Перемещения чувствительных элементов ММГА

Как видно на рисунке 3, при подаче управляющих напряжений инерционные массы начинают совершать противофазные вынужденные колебания с амплитудой 8,7 мкм. Время установления вынужденных колебаний составляет 15 мс. При действии угловых скоростей Qx, £2Z инерционные массы совершают противофазные колебания вдоль осей Z и X, соответственно. Амплитуда колебаний инерционных масс пропорциональна величине внешнего воздействия и составляет 150 нм по оси X и 408 нм по оси Z. Направление действия угловых скоростей будет определять фазу колебаний инерционных масс. При действии линейных ускорений ах, а^ инерционные массы совершают синхронные перемещения вдоль осей X и Z, соответственно. Амплитуда перемещений инерционных масс пропорциональна величине действующего воздействия и составляет 290 нм по оси X и 312 нм по осй Z. Направление действия линейных ускорений будет определять фазу перемещений инерционных масс. Время действия переходных процессов по оси чувствительности X - 2 мс, а оси Z - менее 1 мс.

Для оценки чувствительности предложенного сенсора было выполнено моделирование микромеханического устройства с устройствами обработки сигналов. Чувствительность к угловой скорости Qz составляет 4,1 мкВ / град./с, а чувствительность к линейному ускорению ах - 87,2 мкВ / м/с2, чувствительность к угловой скорости Пх составляет 0,1 мкВ / град./с, а к линейному ускорению а2 -1,5 мкВ/м/с2.

Третья глава посвящена разработке методов построения и проектирования функционально интегрированных многоосевых одномассовых микро- и наномеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений (НМГА).

На рисунках 4 и 5 представлены разработанные конструкции интегральных многоосевых сенсоров.

Предложенный метод построения одномассовых сенсоров заключается в функциональной интеграции сенсоров угловых скоростей ЬЬ-типа с сенсорами

линейных ускорений Ь-типа с крестообразным подвесом, что позволяет обеспечить одновременно регистрацию О. по 2-м осям чувствительности и а — по трем. Особенностью предложенного метода построения микро- и наносенсоров является возможность выбора режима их работы, заключающееся в изменении осей чувствительности к угловой скорости, за счёт обратимости электромеханических преобразователей.

Разработанная модель ММГА/НМГА. полученная на основе уравнения Лагранжа второго рода, имеет вид:

К + %)

Зс'-О (>> + □ л:) + а (¿-О х) 2 2 у у

+ т £2 г = м у м

д\У

= -к х---Р х + Р ± ^ ;

* ас * х эл

К + %)

у + О О г+ £2 (х-П у) у 2 2 2

- т О. О. 2 = М у 2 м

= —к у---/?v + ^'±F ;

У ду у У эл

(5)

(отп + ти )

'¿ + П у-П (х + О г) г У У У .

■ 0.,,т 2 = У м м

= -к 2---Р 2 + Р ;

2 д2 2 2

"М

'¿ +г -О. (х + £2 у) ~ ^ (2 + 2 )

М у 2 у М

= -к г --

2М М

дЖ

■-Р г +F

дг

2М м

2М

М

Погрешность моделирования перемещений инерционной массы сенсора под действием линейных ускорений с использованием предложенной модели (5) по сравнению с численными расчетами не более 5%.

На основе выражений для коэффициентов жесткости упругих балок, испытывающих Б-образный изгиб, с учетом идентичности балок и их параллельно-последовательного соединения, в работе разработаны модели для определения коэффициентов жесткости упругого подвеса ММГА/НМГА. Как показали результаты исследований погрешность моделирования частоты собственных колебаний упругого подвеса ММГА/НМГА по сравнению с численными методами не превышает 2%.

Для повышения амплитуды колебаний инерционной под действием сил инерции Кориолиса получены критерии согласованности частот колебаний инерционной массы ММГА в РД и РЧ.

На основе разработанной модели ММГА/НМГА и моделей коэффициентов жесткости их упругих подвесов, предложенных критериев согласованности

частот колебаний в режимах РД и РЧ разработано параметризуемое УНОЬ-АМЭ описание одномассового сенсора. Моделирование выполнялось при следующих исходных данных: Ц,21=420 мкм, ЬЬ27= 300 мкм, №Ь2!= \уЬ27= 2 мкм, Ь= 4 мкм, иш= 8 В, иот= 7,5 В, иепп= 2 В, ш5= 100соу, Пх= Ц,= ± 100 град./с, ± 500 град./с, ах=ау=±9& Еу= ± 2 g, 100 шт., ё,= 1 мкм, 2 мкм, 1Э= \уэ= 1,0 мм, 1а= 30 мкм.

На рисунке 6 представлены результаты моделирования ММГА при изменении угловых скоростей и линейных ускорений.

ЯИДИИии! I

чЛ ШШшвЯшпшШшШШ!1

-П-Г-

■ I ь1' У'1«* ДОШН) • I I ■11

1 тР™™ ШШШШпШ ШШ9Щ

__мост_зеодш

ЭТОйл эзоот

Рисунок 6 - Перемещения инерцион1шх масс ММГА

Как показали результаты моделирования, при подаче управляющих напряжений инерционные массы сенсоров начинают совершать противофазные вынужденные колебания с амплитудой 8,6 мкм. Время установления вынужденных колебаний составляет 3 мс. При этом первые 160 мс в качестве оси движения выбрана ось У, а оси X и Z - осями чувствительности. Далее происходит смена режима работы: ось X - РД, оси У и Ъ- РЧ. При действии угловых скоростей Пх или Г2у инерционные массы совершают противофазные колебания вдоль оси Ъ. При действии 02 - вдоль осей У или X, в зависимости от

режима работы сенсора. Амплитуда колебаний инерционных масс пропорциональна величине внешнего воздействия и составляет 1,1 мкм по осям X, У и 520 нм по оси Ъ. Направление действия угловых скоростей будет определять фазу колебаний инерционных масс. При действии линейных ускорений ах, ау, а2 инерционные массы совершают синхронные перемещения вдоль осей X, У и Z, соответственно. Амплитуда перемещений инерционных масс пропорциональна величине действующего воздействия и составляет 1,7 мкм по осям X, У и 397 нм по оси Ъ. Направление действия линейных ускорений будет определять фазу перемещений инерционных масс. Время действия переходных процессов по осям чувствительности X, У - 3 мс, а оси Ъ -2 мс.

Для оценки чувствительности предложенного сенсора было выполнено его моделирование с устройствами обработки сигналов. Чувствительность ММГА к угловой скорости составляет: по оси X, У - 1,5 мкВ / град./с; по оси Ъ — 1,0 мкВ / град./с. Чувствительность ММГА к линейному ускорению составляет: по оси X -10,0 мкВ / м/с2; по оси У- 10,0 мкВ / м/с2; по оси Ъ - 5,5 мкВ / м/с2. Чувствительность НМГА к угловой скорости составляет: по оси X, У -4,0 мкВ / град./с; по оси Ъ - 0,3 мкВ / град./с. Чувствительность НМГА к линейному ускорению составляет: по оси X - 0,8 мкВ / м/с2; по оси У -0,8 мкВ / м/с2; по оси Ъ - 2,5 мкВ / м/с2.

Четвертая глава посвящена разработке методов построения и проектирования функционально интегрированных микро- и наномеханических сенсоров ЬЯ-типа с двумя осями чувствительности.

Предложенный метод построения одномассовых сенсоров заключается в функциональной интеграции чувствительных элементов сенсоров угловых скоростей ЬЬ- и ЬЯ-типов с сенсорами линейных ускорений Я-типа с торсионами, что позволяет обеспечить регистрацию угловых скоростей и линейных ускорений по двум осям чувствительности. На рисунках 7 и 8 представлены топологии разработанных интегральных ММГА и НМГА.

\Л.1Х. |Д .2,д дз га

Ш Я! Ж \А \Й«1\1й гб 1-еггг |*д

.25. 1А

Рисунок 7 - Топология ММГА ЬЯ-типа Рисунок 8 - Топология НМГА ЬЯ-типа

Разработанная модель микро- и наносенсоров, полученная на основе уравнения Лагранжа второго рода, имеет вид:

{тх +т2+тм Х^ - У1 (П1 + С12г ) - ) - (т2 + ти 2 + О. х2) -

2

(¿1 + ¿2 + + )(а + -

- л^О^агф^ + а) + у^а( 2С1х + <±)

-к у---р у . ±Г ;

У'! .у! эл'

(8)

(/и, +«2+«м) ^ -(О^ +(т2+ти)

Л а-м

2 2 2 у.а-(г, + +П а +20 а)-

1 1 2 г х

= -А ,2, -г\ 1

2 2 5 |(г ) +х

м м1 1 Г 2

+ »г»

v (г +2 )~(г + г ) 1 1 2 1 2

1 г4 2 г 1 ' 1

2 2 2 ( + а(у +г ) + 0 х г +у (О +а) 1 1 I 2 2^1 2 1 х

= -каа- — -расс + Ма. да

+ ти€12\а{г^ + г2) + «[¿| + ¿2 + ^(Од. + а) + 02х2»]] =

_ х2х2 ~ ~ ~ "х2х2 + Гх2; йх2

(9)

(Ю)

+ т

м

2 2 2 - (г^ + г2 )(а + 2&ха + Г12а ) -

~ ~ . ~ Рг2*2 + г2'

&>

Погрешность моделирования изменений емкостей преобразователей перемещений чувствительных элементов ММГА под действием линейных ускорений с использованием предложенных уравнений движения по сравнению с

экспериментальными результатами не превышает 10%.

На основе выражений для коэффициентов жесткости упругих балок и торсионов, с учетом их параллельно-последовательного соединения, в работе разработаны модели для определения коэффициентов жесткости упругого подвеса ММГА/НМГА. Как показали результаты исследований погрешность моделирования частоты собственных колебаний упругого подвеса ММГА/НМГА по сравнению с численными методами не превышает 10%.

Из условия равенства собственных частот колебаний чувствительного элемента ММГА в РД по оси Y и РЧ по оси X получен критерий их согласованности.

На основе разработанной модели микромеханического сенсора и моделей коэффициентов жесткости их упругих подвесов, предложенных критериев согласованности частот колебаний в режимах РД и РЧ разработано параметризуемое VHDL-AMS описание ММГА LR-типа. Моделирование выполнялось при следующих исходных данных: L15=600 мкм, L19= 630 мкм, Wi5=Wi6= w23= 5 мкм, h= 5 мкм, Uon= 4 В, UOT= 3,5 В, Uenn= 2 В, cos= 100соу, Пх= Qz= ± 300 град./с, ax=az= ± 3 g, N= 100 шт., g0= 1 мкм, gi= 4 мкм, g2= 3 мкм, 1Э= 150 мкм, w3= 200 мкм.

На рисунке 9 представлены результаты моделирования сенсора при изменении угловых скоростей и линейных ускорений.

Как видно на рисунке 9, при подаче управляющих напряжений чувствительные элементы сенсоров начинают совершать противофазные вынужденные колебания с амплитудой 7,7 мкм. Время установления вынужденных колебаний составляет 5 мс.

При действии угловых скоростей Qx, Qz внутренние рамки и инерционные массы совершают противофазные колебания вдоль осей Z и X, соответственно. Амплитуда колебаний внутренних рамок пропорциональна величине внешнего воздействия и составляет 464 нм по оси X. Угол вращательных колебаний инерционных масс под действием угловой скорости, направленной вдоль оси Z, составляет 0,06°. Направление действия угловых скоростей будет определять фазу колебаний внутренних рамок и инерционных масс сенсоров. При действии линейного ускорения ах внутренние рамки совершают синхронные перемещения вдоль осей X с амплитудой 274 нм. При действии линейного ускорения д^ инерционные массы совершают синхронное вращение перпендикулярно плоскости подложки. Амплитуда вращения инерционных масс пропорциональна величине действующего воздействия и составляет 0,03°. Направление действия линейных ускорений будет определять фазу перемещений внутренних рамок и углов поворота инерционных масс. Время действия переходных процессов по оси чувствительности X - менее 2 мс, а оси Z — менее 1 мс.

Выполнено моделирование Микромеханического устройства совместно с устройствами обработки сигналов. Чувствительность ММГА к угловой скорости fiz составляет 8,0 мкВ / град./с, а к линейному ускорению ах - 8,0 мкВ / м/с2. Чувствительность ММГА к угловой скорости Пх составляет по 8,3 мкВ / град./с, а к линейному ускорению ^ - 8,0 мкВ / м/с2. Чувствительность НМГА: к угловой

скорости Пг составляет 10,0 мкВ / град./с; к угловой скорости Пх составляет по 9,0 мкВ / град./с; к линейному ускорению ах - 7,0 мкВ / м/с2; к линейному ускорению - 10,0 мкВ / м/с2.

ИОт »в.Ст юОЙЯ 1МЯТ1

1,с

Рисунок 9 - Перемещения подвижных электродов электростатических приводов, внутренних рамок и инерционных масс ММГА

Пятая глава посвящена разработке методов построения и проектирования функционально интегрированных многомассовых микромеханических сенсоров и а ЬЛ-типа с тремя осями чувствительности.

Предложенный метод построения сенсоров заключается в функциональной интеграции сенсоров угловых скоростей ЬЬ-типа с сенсорами линейных ускорений Я-типа с одинарным маятником, что позволяет обеспечить регистрацию П и а по трем осям.

На рисунке 10 представлена топология разработанного трехосевого сенсора.

Разработанный микромеханический сенсор может быть представлен в виде четырех чувствительных элементов. Разработанная модель для одного чувствительного элемента, полученная на основе уравнения Лагранжа, имеет следующий вид:

у + (2ур + г)(0уп2 + Оуа) - у[п2 (а 2 + р2) + О2 ]+ {тп+тм) +2р(п1-п2) + а[пг(2гр-у) + а{2р-у)]-

Пу [гр (Пг + а) + а(2ур + г) - КуР + ¿)

(П)

дЖ

= -к у---р у + Р ;

У ду У У

(шп+/йм)

'£ - {2гр - + пу<*) - (г/? - у){сср + 2Пг/?)« -

4-

- Р[у{а2у - О2) + п2р(гп2 + упу)

[а(2гр - у) + у^а]-^ (1 + ^ ) - /?(г/? - у)

(12)

дЖ

=-к г---Р ¿ + Р-,

2 дг 2

а[впр2+Сп+(т п+ту1\гр{1р + 2у) + у1\-

- ( Ап + (тп + тм )у2 ){р + Пуа)Пу - (тп + тм )[о* - гу) - г2 (/? + О у*)] =(13) дЖ

--к а---р ос + М :

а да а а

/?ип+(/ип+»гмХу2+г2)

?[ап + (тп + тм)(у2 +г2)\-(Сп +(тп +ти)у'ХРу/3-а-Пг)С1у --(Вп+(тп + тм )г2 )[/?(а2 + П2) + ПуПг + (£2у + 2 Пгр)а\-- («п + тм - п5) + - а[а - - ]|=

(14)

дЖ

= ~к Р---+

Р др Р Р

дИГ

- Р у + М ±М ; у у эл

(15)

Л -С )-е>(В О - С а )

м ' г м м м 2 м у

-У

В <р{20. + у)-С Г2 м г м у

дЖ

= -к (р----р ф + М .

V дер * <Р

Модели для остальных чувствительных элементов будут аналогичными.

Рисунок 10 -

Топология интегрального трехосевого сенсора

На основе выражений для коэффициентов жесткости упругих балок, испытывающих изгиб, а также с учетом их последовательно-параллельного соединения, получены модели для определения коэффициентов жесткости упругого подвеса чувствительных элементов.

Как показали результаты исследований погрешность моделирования собственных частот упругих подвесов чувствительных элементов ММГА с использованием полученных моделей по сравнению с численными методами не превышает 10%, а погрешность моделирования перемещений чувствительных элементов микромеханического сенсора под действием линейного ускорения с использованием предложенных уравнений движения (11)-(16) по сравнению с численными методами не превышает 5%.

Для повышения амплитуды колебаний инерционной массы под действием сил инерции Кориолиса получен критерий согласованности частот колебаний чувствительных элементов ММГА в РД и РЧ.

На основе разработанных моделей ММГА и моделей коэффициентов жесткости ее упругого подвеса и предложенных критериев согласованности частот колебаний в режимах РД и РЧ разработано параметризуемое УЬГОЬ-АМБ описание многомассового сенсора 1Л-типа.

На рисунках 11-13 представлены результаты моделирования ММГА при изменении угловых скоростей и линейных ускорений.

Моделирование выполнялось при следующих исходных данных: ЬЬ5=200мкм, Гьб= 800 мкм, \уЬ5= 8 мкм, \Уы;= 5 мкм, 11= 5 мкм, иоп= 15,0 В, иот= 14,5 В, иепп= 2,0 В, со5= 100сйу, Пх= ± 1000 град./с, П7= ± 500 град./с, ах=ау=± 10 g, ± 3 100 шт., g1= 5 мкм, g2= 1 мкм, 1э=\уэ= 200 мкм,

1а= 50 мкм.

•500.Cn ■ та.оп

8в.в7т 7Ь00т

Рисунок 11 - Отклонения инерционных масс ММГА под действием электростатических сил

•М7Ю 75.00т

Рисунок 12 - Перемещения чувствительных элементов ММГА под действием угловой скорости Ц, и линейных ускорений а.,, Эу

вел7т ляот

-«в-От

вбЛТге НООт

тот ИО.От

<И«> град.

25в.0т

•ИОвт -400 0т

•912, град-

350.0т

-т

66.6 7 т 75ЙОт

1,с

Рисунок 13 - Отклонения инерционных масс ММГА под действием угловых скоростей Оу и линейного ускорения аг

Для оценки чувствительности было выполнено моделирование микромеханического устройства совместно с устройствами обработки сигналов. Чувствительность к угловой скорости составляет: по осям X, У -0,9 мкВ / град./с; по оси ъ - 0,8 мкВ / град./с. Чувствительность к линейному ускорению составляет: по осям X и У - 7,6 мкВ / м/с2; по оси Ъ - 365 мкВ / м/с .

Представлены сведения об изготовлении экспериментальных образцов

трехосевого микромеханического сенсора П и а. Экспериментальные образцы изготовлены с использованием технологического маршрута, разработанного совместно с ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва).

Шестая глава посвящена разработке методов построения и проектирования интегральных микромеханических зеркал (ММЗ) с крестообразным и интегрированным внутренним подвесом (рисунки 14 и 15).

Предложенный метод построения микромеханических зеркал заключается в интеграции конструктивных элементов сенсоров угловых скоростей ЯЯ-типа с внутренним кардановым подвесом и сенсоров линейных ускорений с крестообразным и г-образным подвесами с интегральными микромеханическими зеркалами, что позволяет обеспечить отклонение зеркального элемента под любым углом к плоскости подложки.

Разработанная модель предложенного ММЗ с крестообразным внутренним подвесом, полученная на основе уравнения Лагранжа, имеет вид:

(17)

-А(у- ар)р+Вф+ау)у+С (а - Ру) = -к а - -0 а+М ;

и да а а

вС$+ау)-С{а-0у)у+А&-аР)а = -крр-^-ррр+Мр±Мэл, А{у-ар)-В{р+ау)а+С{а-ру)р = -куу-^-ргу+Мг±Мэл.

Предложенная модель равновесия зеркального элемента микрозеркал позволяет определить условия наступления эффекта неконтролируемого электростатического притяжения.

¿J 10/ \вД13 \4_ Рисунок 14 - Топология ММЗ с крестообразным внутренним подвесом

Рисунок 15 - Топология ММЗ с интегрированным внутренним подвесом

Разработанная модель ММЗ с интегрированным внутренним подвесом, полученная на основе уравнения Лагранжа, имеет вид:

ЭЖ 4

= -£ 2--~-р ¿ + ^ ± Е ^ ;

г дг

.. ¿2 .2 z-р z + y Z

z Z ЭЛ1

i = 1

•• ? .. ? dW ВР-СРГА +mpz* =~крР---РпР + Мп±М ;

dp

-Р~ эл'

(18)

2 dW

Ay + myz =-к у---р у + М ±М .

У ду У У эл

На рисунке 16 представлены результаты моделирования угла отклонения зеркального элемента от отклоняющего напряжения на основе предложенных моделей (17) и (18) и экспериментальных результатов при L,0=285 мкм, L,2= 250 мкм, h=40 мкм, 1э= 100 мкм, w3= 100 мкм.

з

I

• 1

Рисунок 16 - Зависимость

угла отклонения зеркального элемента ММЗ от напряжения

" 5"0 100 150 200 250

УоКаде, V

Как видно на рисунке 16, погрешность моделирования угла отклонения зеркального элемента ММЗ от напряжения с использованием предложенных моделей (17) и (18) по сравнению с экспериментальными результатами в диапазоне 80-150 В не превышает 10%.

На основе выражений для коэффициентов жесткости упругих балок, испытывающих изгиб и кручение, а также с учетом их последовательно-параллельного соединения, получены модели для определения коэффициентов жесткости упругого подвеса зеркальных элементов ММЗ с интегрированным внутренним подвесом. Погрешность моделирования собственных частот колебаний зеркального элемента ММЗ по сравнению с численными методами не превышает 10%.

На основе разработанной модели микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом, предложенных критериев оценки относительных перемещений зеркального элемента и приведенного напряжения было разработано параметризуемое УНЭЬ-АМБ описание предложенного микромеханического устройства. Моделирование выполнялось при следующих исходных данных: Ь)2= 200 мкм, Ь10= 1500 мкм, \уи= 5 мкм, Ь= 5 мкм, иоп= 3 В, иот2= 3,5 В, иеп„= 2 В, <в5= ЮОюр, 9 мкм, 1э= 500 мкм, 500 мкм, 5,8 кГц, fp= 1,6 кГц, £,= 1,7 кГц.

На рисунке 17 представлены результаты моделирования микромеханического зеркала с интегрированным внутренним подвесом с периодически изменяющимся напряжением отклонения.

Как показали результаты моделирования, предложенные конструкций микромеханических зеркал с крестообразным и интегрированным внутренними подвесами позволяют отклонять зеркальные элементы под любым углом к плоскости подложки. В результате обработки выделены сигналы, несущие информацию о колебаниях зеркального элемента ММЗ под действием электростатических сил по двум осям.

t,C

Рисунок 17 - Колебания зеркального элемента ММЗ

Седьмая—глава посвящена разработке устройств обработки сигналов микро- и наномеханических компонентов. 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.

Схема предложенного устройства содержит: генераторы, смеситель, детектор, усилитель инвертор. Интегральное устройство обеспечивает преобразование вида «разность емкостей - разность фаз - частота». В качестве генератора может быть использован системный тактовый сигнал, преобразованный к необходимому виду.

Разработаны схема электрическая принципиальная предложенного устройства и ее схемотехническая модель. Получены результаты моделирования интегрального исполнения устройства в подсистеме TSpice САПР Tanner Pro.

Как показали результаты моделирования при изменениях емкостей преобразователей в пределах ± 0,5 фф частоты сигналов генераторов незначительно отличаются, что приводит возникновению биений и периодической пульсации амплитуды сигналов на выходе смесителя и на диодах детектора, в результате чего на выходе схемы наблюдаются импульсы, форма которых близка к прямоугольной, амплитуда практически соответствует

напряжению питания, а частота равна частоте огибающей сигнала биений. Чувствительность устройства в интегральном исполнении к изменению разности частотозадающих емкостей составила 11,3 кГц/аФ, а порог чувствительности -40 аФ. Разработанное устройство обладает высокой температурной стабильностью периода выходного сигнала (0,1 %/°С) в температурном диапазоне 25 - 85 °С, что обеспечивается разностным принципом формирования выходного сигнала.

Для оценки эффективности предложенного метода разработаны и изготовлены макеты устройств обработки сигналов емкостных преобразователей микромеханических компонентов на биполярных транзисторах и операционных усилителях. Результаты экспериментальных исследований макетов устройств обработки сигналов показали эффективность предложенного метода.

В восьмой главе на основе разработанных методов построения и полученных результатов моделирования разработаны обобщенный метод и методика проектирования микро- и наномеханических сенсоров, микромеханических зеркал отличается от существующих методов тем, что в конструкциях разрабатываемых устройств учитывается многомерность, то есть возможность сенсоров регистрировать внешние воздействия по двум или трем осям чувствительности. Отличием данного метода от существующих является функциональная интеграция сенсоров угловых скоростей ЬЬ и ЬЯ-типов с сенсорами линейных ускорений Ь и Л-типов, что позволяет уменьшить массу и габариты микросистем, а также уменьшить их себестоимость. Также предложенный метод позволяет проектировать и микромеханические зеркала с крестообразным и интегрированным внутренними подвесами, что позволяет увеличить плотность упаковки микрозеркал в МОЭМС. Разработана методика построения геометрических моделей углеродных нанотрубок с произвольным углом хиральности.

Для оценки эффективности разработанной обобщенной методики проектирования разработаны проекты представленных в диссертации сенсоров и микромеханических зеркал.

Разработанные сенсоры превосходят существующие в мире аналоги по количеству осей чувствительности и возможности регистрации одновременно угловых скоростей и линейных ускорений одним сенсорным компонентом, что позволяет сократить площадь подложки используемую под размещение данных компонентов. Изготовление предложенных компонентов по технологии поверхностной микрообработки позволяет повысить степень их интеграции с другими компонентами МЭМС, МОЭМС и интегральных схем. Разработанные микромеханические зеркала превосходят существующие в мире аналоги по величине отклоняющего напряжения. Размещение упругих подвесов, планарных неподвижных электродов под зеркальным элементом позволяет повысить степень упаковки зеркальных элементов в оптических матрицах.

Разработана обобщенная методика проектирования предложенных сенсоров и микромеханических зеркал, обеспечивающая возможность использования библиотек элементов с учетом разработанных методов построения.

В приложениях приводятся технологические маршруты изготовления интегральных микро- и наносенсоров, микромеханических зеркал в рамках технологии поверхностной микрообработки, технологический маршрут изготовления экспериментальных образцов трехосевых сенсоров в рамках LIGA-технологии, библиотека параметризуемых геометрических и конечно-элементных моделей компонентов МОЭМС, и параметризуемых геометрических примитивов для автоматизированного синтеза их топологии в САПР Tanner Pro, устройства обработки их сигналов, документы о внедрении и использовании результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- разработаны методы построения функционально интегрированных микро- и наномеханических сенсоров, обеспечивающих измерение угловых скоростей и линейных ускорений по двум или трем осями чувствительности, интегральных микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами;

- разработаны модели предложенных сенсоров и микрозеркал;

- разработаны критерии согласования частот колебаний чувствительных элементов;

- разработаны критерии оценки параметров гребенчатых электродов электростатических приводов и емкостных преобразователей перемещений функционально интегрированных компонентов;

- разработаны уравнения равновесия зеркальных элементов микромеханических зеркал с интегрированным и крестообразным внутренними подвесами;

- разработаны модели коэффициентов жесткости упругих подвесов чувствительных и зеркальных элементов предложенных компонентов МОЭМС;

- разработаны оригинальные конструкции функционально интегрированных сенсоров и интегральных микромеханических зеркал, защищенные патентами РФ на изобретения. Получено 14 патентов РФ на изобретения;

- разработаны макросы построения параметризуемых геометрических и конечно-элементных моделей функционально интегрированных сенсоров и интегральных микрозеркал для численного моделирования в пакете программ ANSYS;

- разработаны параметризуемые высокоуровневые VHDL-AMS описания предложенных компонентов МОЭМС;

- на основе предложенных моделей микроразмерной элементной базы МЭМС разработаны и защищены свидетельствами Российской Федерации о государственной регистрации ПрЭВМ программы моделирования микросенсоров. Получено 7 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ;

разработаны технологические маршруты изготовления предложенных компонентов МОЭМС;

проведены исследования влияния технологического дрейфа на собственные частоты колебаний чувствительных элементов микромеханических сенсоров;

разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы функционально интегрированного трехосевого сенсора; разработаны электрические принципиальные схемы устройств обработки сигналов компонентов МОЭМС «емкость-частота»;

изготовлены и исследованы макеты устройств обработки сигналов компонентов МОЭМС;

разработаны обобщенный метод и методика проектирования компонентов МОЭМС;

разработана методика построения геометрических моделей углеродных нанотрубок с произвольным углом хиральности;

разработаны параметризуемые макросы для автоматизированного синтеза топологии предложенных компонентов МОЭМС в САПР Tanner Pro.

Публикации по теме диссертации

Монографии:

1 И.ЕЛысенко, Функционально интегрированные микро- и наномеханические сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений-Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2013167 с.

2 И.ЕЛысенко. Интегральные микромеханические сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений.- Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2013.-180 с.

3 И.Е.Лысенко. Интегральные микромеханические зеркала.- Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG (Германия), 2013 - 93 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

4 И.ЕЛысенко. Моделирование двухосевого микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа // Инженерный вестник Дона, 2013.-№1.-С. 39-43.

5 И.ЕЛысенко. Модель равновесия подвижных элементов микромеханических зеркал с внутренними подвесами // Инженерный вестник Дона, 2013.- №2.- С. 26-32.

6 И.Е.Лысенко. Метод проектирования двухосевых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений RR-типа // Известия ЮФУ. Технические науки,- 2011.- №4.- С.234-236.

7 И.ЕЛысенко. Моделирование интегрированного внутреннего упругого подвеса микромеханического устройства // Инженерный вестник Дона-2010.- №3,- С. 13-17.

8 И.Е.Лысенко. Теория микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа // Известия ЮФУ. Технические науки-2009.— № 1.— С. 123-128.

9 И.ЕЛысенко. Метод проектирования микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений LL-типа // Известия ЮФУ. Технические науки.- 2009 - №1.- С. 117-123.

10 И.Е.Лысенко. Влияние температурных и технологических погрешностей на динамику трехосевого микромеханического гироскопа // Гироскопия и навигация,- 2006.- №2(53).- С.91-92.

11 И.Е.Лысенко. Моделирование микромеханического зеркала в программе ANSYS // Известия ТРТУ.- 2005 - №9.- С. 122-123.

12 И.Е.Лысенко. Методика моделирования элементов МОЭМС с использованием программы ANSYS II Известия ТРТУ,- 2004- №8-С.122-123.

13 И.Е.Лысенко, О.А.Ежова, А.В.Лашков. Критерий оценки жесткости пальцев гребенок электродов микроэлектромеханических преобразователей // Фундаментальные исследования.- 2012. - №11- С 636-639.

14 И.Е.Лысенко, Е.А.Рындин, Н.К.Дудин. Устройства обработки сигналов емкостных преобразователей микромеханических компонентов // Нано- и микросистемная техника.- 2012.- №7,- С.48-51.

15 И.Е.Лысенко, А.В Лысенко. Интегральные сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа на основе углеродных нанотрубок // Инженерный вестник Дона, 2012 - №4,- С. 26-30.

16 Б.Г.Коноплев, Е.А.Рындин, И.Е.Лысенко. Устройство обработки сигналов с емкостных преобразователей микромеханических сенсоров угловых скоростей // Известия ЮФУ. Технические науки-2011-№4.-С. 185-192.

17 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко, Е.В.Шерова. Интегральный сенсор угловых скоростей и линейных ускорений // Инженерный вестник Дона- 2010 — №3.-С. 18-22.

18 И.ЕЛысенко, А.С.Бегун. Микро- и наносистемы для мониторинга параметров движения тела человека // Известия ЮФУ. Технические науки - 2009 - №10- С.246-248.

19 И.ЕЛысенко, А.М.Россихин. Микро- и наномеханические зеркала для лабораторий-на-кристалле // Известия ЮФУ. Технические науки.- 2009 -№10,- С.248-249.

20 И.Е.Лысенко, Е.В.Шерова. Моделирование упругого подвеса трехосевого микромеханического гироскопа-акселерометра // Известия вузов. Электроника - 2009.- №4,- С.48-55.

21 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Моделирование интегрального микромеханического гироскопа с тремя осями чувствительности // Нано- и микросистемная техника.-2006.-№7-С.49-53.

22 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. 2D микрозеркало с электростатической активацией // Известия ТРТУ - 2004- №1(36).- С. 121-122.

23 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Моделирование микрозеркала с электростатической активацией // Микросистемная техника,- 2002-№12,- С.22-25.

24 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Микрозеркало с электростатической активацией // Известия вузов. Электроника.- 2002.- №4.- С.66-70.

25 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Сенсор ускорения по трем направлениям // Известия ТРТУ.- 2001№ 1 (19).- С. 96-97..

Публикаиии в других изданиях

26 LE.Lysenko. Modeling of two-axis micromechanical gyroscope-accelerometer // Proceeding of the International Conference "Micro- and nanoelectronics -2012" (ICMNE-2012).- Moscow-Zvenigorod, Russia, 2012.-p.03-31.

27 И.ЕЛысенко. Многоосевые микро- и наномеханические гироскопы-акселерометры // Сборник тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий.- М.: Роснано, 2009 - С. 164-166.

28 И.Е.Лысенко. Методика проектирования микромеханических компонентов на основе библиотеки унифицированных микрофрагментов // Труды X Международной НТК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы».-Ульяновск: УлГУ,2008-С.103.

29 И.Е.Лысенко. Многоосевые микромеханические сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений // Материалы V Международной НТК «Молодые ученые - 2008».- М.: МИРЭА, 2008,- Ч.1.- С. 183-186.

30 И.ЕЛысенко, Д.П.Журавлев. Методика проектирования микромеханических гироскопов-акселерометров на основе библиотеки микрофрагментов // Материалы VII Международной НТК «INTERMATIC - 2008».- М.: МИРЭА, 2008.- Ч.1.- С.313-315.

31 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко, Э.В.Дронова. Методика построения геометрических моделей хиралышх углеродных нанотрубок // Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы, 2006.-№4(28).-С.55-57.

32 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический гироскоп с тремя осями чувствительности // Известия ТРТУ.- 2006.- №9.- С.131-135.

33 И.ЕЛысеюсо. Микромеханический акселерометр с наноразмерными емкостными преобразователями перемещений // Труды X Международной НТК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы».-Ульяновск: УлГУ, 2008.- С. 104.

34 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Многоосевые микромеханические компоненты для автономных навигационных систем // Труды VI Российской НТК «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии».- СПб: ГНИНГИ Минобороны РФ, 2007.- С.144-148.

35 И.Е.Лысенко. Моделирование интегрального микромеханического зеркала // Материалы Международной НТК «Фундаментальные проблемы

радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC - 2007).- М.: МИРЭА, 2007,-Ч.2.- С.78-81.

36 И.Е.Лысенко, Е.В.Полищук. Многоосевой микромеханический гироскоп-акселерометр на основе углеродных нанотрубок // Труды VII Международной НТК «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии».-Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2007.-С.269-271.

37 И.ЕЛысенко, Е.В.Полищук. Моделирование микромеханического гироскопа-акселерометра на основе углеродных нанотрубок // Труды IX Международной НТК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы»,- Ульяновск: УлГУ, 2007 - С.27.

38 И.Е.Лысенко. Многоосевой микромеханический акселерометр на основе углеродных нанотрубок // Труды IX Международной НТК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы»,- Ульяновск: УлГУ, 2007,-С. 116.

39 И.Е.Лысенко. Влияние температурных и технологических погрешностей на динамику трехосевого микромеханического гироскопа // Труды VIII НТК «Навигация и управление движением».- СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2006-С.101-106.

40 Б.Г.Коноплев, А.О.Агеев, И.ЕЛысенко, А.А.Федотов, А.Ю.Трегубенко. Моделирование элементов наномеханики на основе углеродных нанотрубок // Материалы X международной НТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06).- Таганрог: ТРТУ, 2006,- Ч.2.— С.37-39.

41 И.Е. Лысенко, А.С.Переверзева. Моделирование микромеханического зеркала // Материалы Международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC - 2006).- М.: МИРЭА, 2006.- Ч.З.- С.244-246.

42 И.Е.Лысенко, А.С.Переверзева. Микромеханическое зеркало для лабораторий-на-кристалле // Материалы VI Международной НТК «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии».- Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2006-С.312-314.

43 И.ЕЛысенко, А.С.Переверзева. Моделирование интегрального микрозеркала // Материалы X Международной НТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06).-Таганрог: ТРТУ, 2006,- Ч.1.- 254-256.

44 И.ЕЛысенко, Е.В.Полищук. Моделирование многоосевого микромеханического акселерометра // Материалы Международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC - 2006).- М.: МИРЭА, 2006.- Ч.З.- С.240-243.

45 И .Е.Лысенко, Э.В.Дронова. Разработка геометрических моделей хиральных углеродных нанотрубок // Материалы IV Международной НТК «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Молодые ученые - 2006).- М.: МИРЭА, 2006-Ч.2.-С.110-112.

46 И.Е.Лысенко, Э.В.Дронова. Методика построения геометрической модели углеродной нанотрубки // Материалы VIII Всероссийской НТК «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (КРЭС-06).- Таганрог: ТРТУ, 2006.- С.274-275.

47 И.ЕЛысенко, Э.В.Дронова. Методика построения молекулярно-динамических моделей однослойных хиральных углеродных нанотрубок // Материалы X Международной НТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06).- Таганрог: ТРТУ, 2006.-Ч.1.-С.243-245.

48 И.Е.Лысенко. Моделирование интегрального многоосевого микромеханического гироскопа // Материалы Международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC — 2006).- М.: МИРЭА, 2006.-Ч.2.-С.213-217.

49 B.G.Konoplev, I.E.Lysenko. Analysis of microelectromechanical gyroscope technological faults // Proceeding of the International Conférence "Micro- and nanoelectronics - 2005" (ICMNE-2005).- Moscow-Zvenigorod, Russia, 2005,-p.Ol-11.

50 И.ЕЛысенко. Двухосевое микромеханическое зеркало // Материалы VII Международной НТК «Orrro-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы».- Ульяновск: УлГУ, 2005 - С.208.

51 И.Е.Лысенко. Моделирование трехосевого микромеханического гироскопа // Материалы VII Международной НТК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы».- Ульяновск: УлГУ, 2005 - С.207.

52 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Исследование динамических характеристик трехосевого микромеханического гироскопа // Материалы V Международной НТК «Электроника и информатика - 2005».- Ч.1.- М.: МИЭТ, 2005 - С.73-74.

53 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Исследование температурных и технологических погрешностей микромеханического гироскопа // Материалы V Международной НТК «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии».- Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2005-С.231-233.

54 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Моделирование динамических характеристик интегрального микромеханического гироскопа с учетом температуры // Материалы IX Международной НТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-2004).- Таганрог: Издательство ТРТУ, 2004.-С.193-196.

55 И.Е Лысенко, А.Г.Клименко, С.А.Марков. Моделирование интегрального микромеханического гироскопа // Труды VII Всероссийской НТК «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (КРЭС-2004).- Таганрог: ТРТУ, 2004,- С.270-271.

56 B.G.Konoplev, I.E.Lysenko. 3D micromachined gyroscope // Proceeding of the International Conférence "Micro- and nanoelectronics - 2003" (ICMNE-2003).- Moscow-Zvenigorod, Russia, 2003.- p.03-76.

57 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Брке-модель интегрального микромеханического гироскопа // Материалы П Всероссийской НТК «Электроника». - М.: МИЭТ.- 2003.-С.135-136.

Патенты РФ на изобретения и свидетельства о государственной регистраиии программ для ЭВМ:

58 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр. Патент РФ на изобретение №2477863,2013г.

59 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр на основе углеродных нанотрубок. Патент РФ на изобретение №2455652,2012г.

60 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко, Е.В.Шерова. Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр. Патент РФ на изобретение №2351897,2009г.

61 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко, Е.В.Шерова. Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр. Патент РФ на изобретение №2351896,2009г.

62 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко, Е.В.Полшцук. Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр на основе углеродных нанотрубок. Патент РФ на изобретение №2334237,2008г.

63 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко, А.А.Федотов. Интегральный микромеханический гироскоп на основе углеродных нанотрубок. Патент РФ на изобретение №2304273,2007г.

64 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический гироскоп. Патент РФ на изобретение №2300773,2007г.

65 И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр. Патент РФ на изобретение №2293338,2007г.

66 И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический гироскоп. Патент РФ на изобретение №2293337, 2007г.

67 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический акселерометр-клинометр. Патент РФ на изобретение №2279092,2006г.

68 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Интегральное микромеханическое зеркало. Патент РФ на изобретение №2277255,2006г.

69 Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко. Интегральный микромеханический гироскоп. Патент РФ на изобретение №2266521,2005г.

70 И.ЕЛысенко. Интегральное микромеханическое зеркало. Патент РФ на изобретение №2265871,2005г.

71 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко. Интегральный микромеханический гироскоп. Патент РФ на изобретение №2251077,2005г.

72 Б.Г. Коноплев, И.Е.Лысенко, Н.К. Дудин. Программа моделирования динамических характеристик микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений с тремя осями чувствительности. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012614001,2012г.

73 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко, Е.А.Рындин. Программа для моделирования микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений ЬЬ-типа. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012610544,2012г.

74 Б.Г.Коноплев, И.ЕЛысенко, Е.А.Рындин. Программа для моделирования микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений Ш1-типа. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ N22011618767,2011г.

75 Б.Г.Коноплев, Е.А.Рындин, И.ЕЛысенко. Программа численного физико-топологического моделирования транзисторных гетероструктур. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011618766,2011г.

76 Б.Г.Коноплев, Е.А.Рындин, И.ЕЛысенко. Программа численного физико-топологического моделирования диодных гетероструктур. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №, 2011г.

77 Б.Г.Коноплев, Е.А.Рындин, И.ЕЛысенко. Программа численного физико-топологического моделирования функционально-интегрированных гетероструктур. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011618763,2011г.

78 И.Е.Лысенко, Б.Г.Коноплев. Программа для моделирования динамических характеристик микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011614159,2011г.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [13] - критерий оценки жесткости пальцев гребенок электродов микроэлектромеханических преобразователей; [15] - метод построения, конструкция и модель сенсора; [14, 16] - схемы структурная и электрическая принципиальные; [17, 20-25, 32, 36, 41-44, 55, 56] - конструкции и модели компонентов; [18, 19, 34] - методы построения, конструкции и модели микромеханических компонентов; [31, 37, 45-47] - методика построения и модели; [30] - методика проектирования; [40, 49, 52-54, 57, 72-78] - модели; [58-64,67-69,71]- методы построения и конструкции.

Таганрог. Издательство ЮФУ. ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Зак. № 4 { & Тираж / 5® экз. 2013г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

05201351745

ЛЫСЕНКО Игорь Евгеньевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГООСЕВЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ МИКРООПТИКОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах по техническим наукам

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Коноплев Борис Георгиевич доктор технических наук, профессор

На правах рукописи

Таганрог - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................5

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............................................335

ВВЕДЕНИЕ

Одним из динамично развивающихся научно-технических направлений является микросистемная техника (МСТ), включающаяся в себя сверхминиатюрные механизмы с ранее недостижимыми массогабаритами и энергетическими показателями, функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми процессами микро- и нанотехнологий [1-15].

Микроэлектромеханическими системами (МЭМС) называют устройства с интегрированными в объеме или на поверхности твердого тела электронными и микромеханическими структурами. Интеграция МЭМС с оптическими компонентами позволило создать отдельный класс компонентов микросистем, названный микрооптикоэлектромеханическими системами (МОЭМС) [1-7].

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 МЭМС в 2012г. составило 27% годовых и достигло отметки 9,7 млрд долл. США [1, 7-9, 16].

На рисунке В.1 приведен график объемов производства и продаж МЭМС в период 2002-2012гг. [16].

Как видно на рисунке В.2 в 2010г. рынок микросистем примерно распределился следующим образом: 20% - головки струйных принтеров (микросопла); 16% - микромеханические датчики давления; 4% - кремниевые микрофоны; 27% - микрооптикоэлектромеханические системы, включая микромеханические зеркала; 10%) - микрофлюидные системы; 4% -микроэлектромеханические системы высокочастотного диапазона; 3% -топливные микроэлементы и 16% - микромеханические сенсоры угловых скоростей и сенсоры линейных ускорений [1, 7-9].

Рисунок B.l - Объемы производства (-) и продаж (—) МЭМС

в период 2002-2012гг.

Одним из основных направлений развития микросистемной техники является разработка, исследование и применение микромеханических сенсоров угловых скоростей (ММГ) и микромеханических сенсоров линейных ускорений (ММА) [1, 7, 9, 17-19].

Данные сенсоры находят широкое применение в 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, микромеханические сенсоры в составе навигационной системы с ГЛОНАСС или GPS приемником 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). Применение их в медицинской технике позволяет создавать

интеллектуальные системы протезирования с функциями контроля положения и перемещения в пространстве исполнительных органов тела человека [1,7, 9, 20-28].

10

8

<

3

о

с; с; о

С£

а 6

3

1111111111

со §

о. с.

2 9 А Ю

О

4 —

2 —

0

2005 2006 2007 2008 2009 2010

Годы

Микросопла

Сенсоры угловых скоростей

Датчики давления I I МОЭМС

ш

Микрофоны

Сенсоры линейных ускорений

I [ Микрофлюидные ^^^ системы

ВЧ МЭМС

Топливные микроэлементы

Рисунок В.2 - Динамика рынка компонентов МСТ в период 2005-2010гг.

Системы контроля допустимых уровней вибраций и сейсмической активности, а также системы контроля положения, ориентации и скорости перемещаемых объектов позволяют повысить степень безопасности атомных

электростанций. Системы контроля состояния геометрии трубопроводов на больших и трансконтинентальных расстояниях и системы контроля вибрации станций перекачки нефти или газа на основе сенсоров линейного ускорения и угловых скоростей позволяют повысить надежность и снизить количество аварий в нефтегазовой промышленности. Игровые приставки нового поколения, оснащенные беспроводной системой контроля перемещений игрока на основе микромеханических компонентах, позволяют преобразовать пассивную игру в интерактивную. Сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений, изготовленные по технологиям МСТ, успешно применяются в системах стабилизации изображения сотовых телефонов и цифровых фото- и видеокамер. Использование микромеханических сенсоров в автономных системах локального позиционирования, обеспечивающие отслеживание траекторий движения членов пожарных команд и антитеррористических подразделений, что позволяет эффективно руководить слаженностью действий и давать указания по ходу выполнения операции в реальном масштабе времени. Системы управления интеллектуальными боеприпасами, навигации и ориентации наземными и подводными автоматизированными аппаратами, а также беспилотными летательными аппаратами на основе технологий МЭМС и МОЭМС позволяют повысить их характеристики на более новый качественный уровень [1,7, 9, 20-28].

В России к разработке интегральных ММГ и ММА, по сравнению с зарубежными развитыми странами, приступили сравнительно недавно. Лидирующими организациями в области разработки и исследования микромеханических сенсоров данного типа являются ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский университет "МИЭТ"» (г. Зеленоград), НИИ «Физических измерений» (г. Пенза), ОАО РПКБ (г. Раменское), ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 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 ММГ и ММА позволяют измерять характеристики линейных

ускорений (а) и угловых скоростей (О.) по одной или двум осям. 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 микромеханических сенсоров, вносит погрешности в работу данных устройств и требует юстировки. Изготовление двухосных и одноосных

сенсоров О и двухосных и одноосных сенсоров а на одной подложке, расположенных по трем взаимно ортогональным осям чувствительности, приводит к увеличению занимаемой ими площади подложки. Решить данную проблему - улучшить массогабаритные характеристики микросистем, обеспечить возможность регистрации параметров движения подвижного объекта по трем осям можно применением интегральных многоосевых микромеханических сенсоров угловых скоростей и линейных ускорений (ММГА) [9,27-35].

Так как экспериментальные исследования занимают много времени и дороги, возникла необходимость применения средств математического моделирования на всех этапах проектирования компонентов МСТ. Математическое моделирование позволяет снизить время и затраты на проектирование, а также определить целесообразность развития той или иной технологии создания компонентов МЭМС и перспективность того или иного конструкторско-технологического решения [8, 36-38].

Большой сектор рынка микрооптикоэлектромеханических систем занимают микромеханические зеркала (ММЗ). Данные компоненты находят широкое применение как в микросистемах управления оптическими потоками, так и в лазерных и оптических дальномерах, используемых в системах ориентации и навигации подвижных объектов по рельефу местности [39-41].

В связи с этим, разработка многоосевых микромеханических сенсоров О 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 П и а IX- и ЬЯ-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 IX- и ЬЯ-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 ск