Разработка и исследование пьезорезистивных микроакселерометров для контроля виброускорений

• Автор: Панкратов, Олег Вячеславович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АІ1АЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТРОВ
1.1. Области применения и особенности эксплуатации
пьезорезистивных микроакселерометров
1.2. Конструктивно-технологические особенности
пьезорезистивных микроакселерометров
1.3. Основные метрологические и механические параметры
пьезорезистивных микроакселерометров
1.4. Методы расчета и проектирования микроакселерометров
1.5. Постановка цели и задач исследований
1.6. Выводы
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ МИКРО АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
2.1. Моделирование механической системы и динамический
анализ микроакселерометра
2.2. Расчет перемещений и деформаций чувствительного элемента
консольного типа
2.3. Расчет основны х метрологических характеристик
пьезорезистивного микроакселерометра
2.4. Расчет ударной прочности микроакселерометра
2.5. Численное моделирование и оптимизация характеристик
микроакселсрометра
2.6. Выводы
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ МИКРО АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
3.1. Разработка конструкций пьезорезистивных
микроакселеромстров
3.2. Экспериментальные исследования механических и
метрологических характеристик микроакселерометров балочного типа
3.3. Исследование демпфирующих характеристик
микроакселерометров
3.4. РІсследование температурных характеристик
микроакселерометров
3.5. Исследования метрологических характеристик
микроакселерометров рамочного типа
3.6. Выводы
ГЛАВА 4. МЕТОДИКИ ПРОЕКТНОГО РАСЧЕТА И РАЗРАБОТКА ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТРОВ
4.1. Методика расчета механических и метрологических характеристик пьезорезистивных микроакселерометров
4.2. Методика оптимизации параметров инерционной массы пьезорезистивных микроакселерометров
4.3. Методика выбора параметров жидкостного демпфера
4.4. Разработка опытных образцов пьезорезистивных микроакселерометров
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
Важнейшим направлением научно-технического прогресса является разработка и производство микроэлектронных датчиков на основе интеграции технологии микроэлектроники и микромеханики. Микроэлектронные датчики широко используются во многих отраслях промышленности: машиностроительной, аэрокосмической, электронной, автомобильной, химической и др. Одно из основных мест занимают датчики ускорения - акселерометры.
Акселерометры предназначены для измерения постоянных (линейных, медленно изменяющихся), переменных (вибрационных, длительных) и импульсных (ударных, одиночных) ускорений и широко применяются в инерциальных навигационных системах, системах ориентации, контроля параметров движения, исследования и измерения вибрации и динамических воздействий сооружений, машин, оборудования чистых производственных помещений.
Большинство используемых в настоящее время микроэлектронных акселерометров (далее микроакселерометров) принадлежит к пьезорезистивному типу, благодаря их высокой точности, широкому частотному и динамическому диапазонам, небольшим размерам, длительным срокам службы, простоте калибровки и относительно небольшой стоимости. Развитие микроакселерометров идет по пути миниатюризации, повышения чувствительности и надежности.
Поэтому разработка и развитие методов расчета, обеспечивающих оптимальный выбор конструктивно-технологических параметров при проектировании пьезорезистивных микроакселерометров, является важной научно-технической задачей.

и удобны для пользователя. К таким пакетам относятся известные программные продукты ANSYS, Cosmos/M, система MSC/Nastran компании MSC Corporation и другие. Возможность эффективного применения этих программных продуктов при проектировании современных кремниевых микроакселерометров с консольной и мостовой схемой подвеса показана, например, в работах [30, 75-78].
В [30] рассмотрены конечно-элементные модели микроакселерометра балочной и симметричной конструкций. Балочный микроакселерометр имеет кремниевую инерционную массу размером 3,5x3,5x0,4 мм, закрепленную на двух упругих балках длиной 200 мкм и толщиной 10 мкм. Инерционная масса симметричного акселерометра 1,9 мг имеет размеры 1,6x1,6x0,4 мм и расположена внутри корпуса, к которому крепится при помощи четырех упругих балок толщиной 10 мкм. Проведена оценка остаточных термомеханических напряжений после оксидирования при 1000°С и 600°С при формировании слоев Si02 толщиной 1 мкм. Наибольшие нормальные напряжения по толщине упругой балки (до 160 МПа) возникают на границе кремния и диэлектрика в зоне, где расположены пьезорезистивные элементы.
Проведена также оценка напряжений, возникающих в упругой балке под действием линейных ускорений. Так при ускорении 50 g в балочном микроакселерометре эпюра напряжений имеет небольшой градиент в сторону увеличения напряжений к основанию, где а = 16 МПа и максимальное перемещение инерционной массы ~10 мкм. В симметричном микроакселерометре эпюра синусоидального типа с двумя экстремумами а = 2 МПа и о = -2 МПа, а максимальное перемещение инерционной массы ~1 мкм. Конечно-элементные модели позволяют оценить динамические характеристики акселерометров. Для исследуемой конструкции балочного микроакселерометра установлены первые три собственных частоты колебаний: f = 930 Гц, f2 = 32,5 кГц, :Г3 = 226 кГц. Аналогично для
симметричного - f] = 11,6 кГц, Г2 = 740кГц, f3= 1,15 МГц. Проведена