В настоящее время МЭМС-акселерометр является одним из наиболее перспективных изделий в отрасли инерциальных датчиков. Проектирование и исследование конструкций МЭМС-акселерометров связано с решением задач математической физики. Также немаловажной задачей является соблюдение технологического маршрута, в том числе проведение таких операций как глубокое травление кремния.
Отечественное производство МЭМС
Моделирование чувствительного элемента МЭМС-акселерометра
Программная система конечно-элементного анализа, используемая при проектировании кремниевого чувствительного элемента, представляет собой набор программных пакетов, предназначенных для решения обширного класса задач методом конечно-элементного моделирования. Механическая и математическая основа указанного программного комплекса представляет собой метод конечных элементов (МКЭ) – наиболее распространенный и достаточно универсальный метод анализа напряженно-деформированного состояния.
Основная идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящую из отдельных элементов (участков). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента. В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна, и нужно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. После этого можно перейти к общему случаю.
Рисунок 1 – Геометрическая модель чувствительного элемента МЭМС-акселерометра: 1 – инерционная масса, 2 – торсионы, 3 – емкостная система съема сигнала, 4 – ось чувствительности.
Рисунок 2 – Фрагмент модели ЧЭ МЭМС-акселерометра.
Разработанный чувствительный элемент (ЧЭ) МЭМС-акселерометра представляет собой массу (1), подвешенную на торсионах (2) (рис. 1). В конструкции предусмотрена емкостная система съема сигнала, представляющая собой 30 дифференциальных пар электродов (3). При появлении воздействующего ускорения вдоль оси чувствительности (4) масса (1) перемещается, что приводит к изменению величин емкостей (3).
Чувствительный элемент был изготовлен из монокристаллического кремния <100>. При моделировании учитывалась анизотропия свойств монокристаллического кремния.
На рисунке 2 приведен фрагмент разработанной геометрической модели ЧЭ МЭМС-акселерометра.
Про моделирование МЭМС-гироскопа можно прочитать здесь
Расчеты, подтверждающие работоспособность конструкции
Для подтверждения работоспособности конструкции был проведен модальный анализ и статический расчет. Модальный анализ позволил определить собственную частоту ЧЭ (452.83 Гц) и форму колебаний: собственная частота значительно (в 4.5 раза, 1825.9 Гц) меньше ближайшей “паразитной” частоты. Таким образом, выбранная форма и размеры торсионов и инерционной массы позволяют изготовить ЧЭ, у которого влияние паразитных частот будет минимальным.
Тем временем статический расчет показал, что максимальное смещение ЧЭ при воздействии 1 g составляет 1,25 мкм (рисунок 3). Напряженно-деформируемое состояние торсионов и суммарное значение напряжения материала составляет для данной конструкции 2,5·107 Па. Получаем, что значение напряжения материала меньше предела прочности для кремния (109 Па).
Рисунок 3 – Результат моделирования ЧЭ МЭМС-акселерометра при воздействии вдоль оси чувствительности ускорения величиной 10 g.
Особенности технологии изготовления чувствительного элемента МЭМС-акселерометра
Рисунок 4 – Фрагмент конструкции ЧЭ МЭМС-акселерометра.
В настоящее время множество методов для глубокого травления кремния с использованием плазмы. Проведенные исследования показали, что наиболее оптимальным для кремниевых МЭМС является применение ICP плазмы и Bosch-процесса.
Одним из ключевых параметров является давление, от которого зависят физические свойства плазмы, химические процессы, происходящие в объеме рабочей камеры. Существует тенденция к понижению давления при сохранении качества травления кремния.
Особенно это актуально для профилей с высоким аспектным отношением. Уменьшение давления приводит к уменьшению числа столкновений ионов с нейтральными частицами в камере, что увеличивает число частиц в зоне реакции. Дополнительным преимуществом является уменьшение вероятности осаждения на поверхности продуктов реакции.
На рисунке 4 изображен снимок сложнопрофильной конструкции чувствительного элемента МЭМС-акселерометра.
МЭМС-акселерометры собственного производства
Наша компания занимается проектированием конструкций чувствительных элементов МЭМС-акселерометров, разработкой и изготовлением схемы сбора и обработки данных с чувствительных элементов, разработкой и оптимизацией технологических процессов изготовления и сборки МЭМС-изделий, проведением исследований, калибровкой и испытаний изготовленных образцов.
Запросить демонстрационный образец
Купить МЭМС-акселерометр
По результатам научного исследования опубликована статья в журнале “Нано- и микросистемная техника” (Том 23 №2). Авторы: Кочурина Е.С., Тимошенков А.С., Боев Л.Р., Анчутин С.А., Зарянкин Н.М., Тимошенков С.П., Калугин В.В.
С полным текстом статьи можно ознакомиться в библиотеке ЛМП.