Разработка и исследование методов и средств проектирования микросистем с интегральными термоэлементами

• Автор: Кравченко, Ирина Владимировна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 160 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
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

4 1.2.2. Тепловые актюаторы на основе биморфных балок

1.3. Сенсорные термоэлементы

1.3.1. Интегральные инерционные датчики

1.3.2. Интегральные термоакселеромстры.

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 термоакселсрометра.
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 VI для моделирования свободной конвекции в герметичной микрокамере
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


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. Предложенные интегральные сенсорные и актюаторные термоэлементы МСТ, методики моделирования и проектирования могут быть использованы при проектировании высоконадежных микросистем с интегральными термоэлементами. Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (с. Дивноморское, - гг. VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (г. Москва, г. ТРТУ (г. Таганрог, г. Всероссийской дистанционной научно-технической конференции «Электроника» (г. Москва, г. По теме исследований опубликовано печатных работ, в ВНИИТЦ зарегистрировано 9 отчетов о НИР, выполненных при участии автора. В настоящее время разработано множество микроактюаторов, в которых используются различные типы активации. Тепловые микроактюаторы являются * одними из наиболее распространенных []. Основным достоинством тепловых актюаторов по сравнению с актюаторами других типов является конструктивно-технологическая простота, небольшая занимаемая площадь на кристалле и большая вырабатываемая сила [, , , ]. Однако они имеют существенные недостатки, такие, как сравнительно большая потребляемая мощность и низкое быстродействие [, ,, ]. На рис. Данная конструкция позволяет увеличить максимальное перемещение конца актюатора почти в 0 раз по сравнению с актюаторами на основе линейного расширения []. Сопротивление плеч термоактюатора различно из-за различной их ширины и, следовательно, при протекании через них тока температура также будет различна. Тонкое плечо называют горячим, а широкое - холодным. Горячее плечо удлиняется больше холодного и актюатор поворачивается в сторону холодного плеча (рис. Актюаторы данного типа объединяют в матрицы для увеличения силы (рис. Матрицы тепловых актюаторов используют в качестве линейных отклоняющих систем, а также в качестве линейного шагового двигателя (рис. Сила, вырабатываемая одним термоактюатором “II” типа, составляет 4 мкН, а отклонение порядка мкм []. При этом КПД не превышает 5% [, , ]. Основные достоинства актюаторов “” типа - это простота изготовления, большая вырабатываемая сила и возможность объединять элементы в матрицы для увеличения силы. Недостатками являются: низкий КПД, низкое быстродействие и значительный перегрев элементов. С целью активации используется не только расширение твердого тела под действием температуры, но и сжатие. На рис. V” образных канавок, заполненных полиимидом, которые под действием температуры сжимаются [-, ]. Рис. Рис. Рис. Рис. Рис. Угол поворота данного актюатора определяется числом “У” - образных канавок. Нагревательный элемент обычно находится на поверхности структуры. В отличие от термоактюаторов “и” типа, которые двигаются параллельно подложке, термоактюатор на основе полиимида двигается перпендикулярно подложке. Основным их достоинством является высокая точность воспроизведения заданного угла изгиба. Однако этот угол весьма мал для одной “V” - структуры и составляет порядка ° при изменении температуры на 0 °С [-]. Это является основным недостатком данных актюаторов. На основе проведенного обзора можно сделать следующие выводы.