CC BY
27МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА MICRO- AND NANOSYSTEM TECHNOLOGY
УДК 531.768:621.3.019.3 DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-619-626
Исследование стойкости МЭМС-акселерометров емкостного типа к внешним механическим воздействиям
Аунг Тхура, Б.М. Симонов, Ан.С. Тимошенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Надежная эксплуатация механических датчиков угловой скорости и линейного ускорения возможна при обеспечении их устойчивого функционирования под воздействием внешних факторов. В работе на вибростенде LDS У455 исследованы механические воздействия широкополосной (синусоидальной) вибрации и ударов на экспериментальные образцы микромеханических акселерометров. Полученные амплитудно-частотные характеристики экспериментальных образцов использованы для оценки их качества, которое выражается в линейности в достаточно широком частотном диапазоне и отсутствии резонансных пиков. С помощью вибростенда заданы интенсивность и продолжительность удара. Результаты экспериментов показали, что ударная нагрузка отрабатывается неодинаково для образцов механических акселерометров, рассчитанных на разные диапазоны значений измеряемого ускорения. Выяснено, что выходной сигнал у образцов в диапазоне измерений ускорения ±1,2 g ограничен сверху, у образцов в диапазоне до ±5 g сигнал не входит в заданный профиль. Установлено, что образцы ПЛУ 5-17 хорошо отрабатывают профиль удара. Показано, что допустимая ударная нагрузка на образцы механических акселерометров должна подбираться с учетом откликов, т.е. выходных сигналов при ударном воздействии.
Ключевые слова: микромеханический акселерометр емкостного типа; синусоидальная вибрация; амплитудно-частотная характеристика; ударные импульсы; профиль удара
Для цитирования: Аунг Тхура, Симонов Б.М., Тимошенков Ан.С. Исследование стойкости МЭМС-акселерометров емкостного типа к внешним механическим воздействиям // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 6. - С. 619-626. Б01: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-619-626
© Аунг Тхура, Б.М. Симонов, Ан.С. Тимошенков, 2019
Study on Resistance of Samples of Capacitive Type Micromecanical Accelerometers to Mechanical Stress
Aung Thura, B.M. Simonov, An.S. Timoshenkov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. Reliable operation of mechanical sensors of the angular velocity and linear acceleration in modern conditions is possible only when their stable operation under effect of the external factors has been provided. The mechanical effects-broadband (sinusoidal) vibration and the shock on the experimental samples of micromechanical accelerometers (MMA) on the vibration stand LDS V455 have been studied. The obtained amplitude-frequency characteristics (AFC) of the experimental samples can be used to characterize their quality. The high quality, has been reflected in the linearity of the frequency response in a fairly wide frequency range and in absence the resonant peaks. To achieve this, it is necessary to work out the technology of manufacturing samples. The areas of application of the MMA samples can be selected according to the AFC type obtained for them. The shock pulses can be approximated by a series of semi-sinusoidal pulses with the duration equal to half the period of the sine function. With the help of a vibrating table the intensity and duration of the impact have been set. The results of the experiments have shown that the shock load is worked out differently for MMA samples, calculated for different ranges of the measured acceleration values. From the data obtained it can be seen that the output signal of the MMA samples to acceleration measurement range ±1.2 is limited from above, the output signal of the MMA samples in the range up to ±5 g is not included into a specified profile. It has been determined that MMA PLU 5-17 samples fulfill well the impact profile. The selection of permissible impact loads on the MMA samples should be made based on the feedback, i.e. the output signal on the impact.
Keywords: micromechanical accelerometer of capacitive type; sinusoidal vibration; amplitude-frequency characteristic; shock pulses; impact profile
For citation: Aung Thura, Simonov B.M., Timoshenkov An.S. Study on resistance of samples of capacitive type micromecanical accelerometers to mechanical stress. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 6, pp. 619-626. DOI: 10.24151/1561-5405-201924-6-619-626
Введение. При использовании МЭМС-датчиков в транспортных средствах, авиационной и космической технике, а также для реализации других целей необходимо учитывать влияние на них внешних факторов. В результате, например, вибрации, механических и температурных воздействий в датчиках могут возникать динамические деформации, напряжения и прочие нежелательные (неучтенные) изменения [1]. Поэтому для обеспечения надежной работы и стабильности параметров МЭМС-датчиков уже на этапе проектирования структуры чувствительного элемента, а также на последующих этапах жизненного цикла изделий [2] необходимо контролировать влияние разных типов воздействий.
Цель настоящей работы - исследование стойкости экспериментальных образцов микромеханических акселерометров (ММА) емкостного типа, предназначенных для
измерения ускорения в разных диапазонах его значений, к механическим воздействиям, а именно к широкополосной (синусоидальной) вибрации и ударам.
Образцы и методы их исследования. Образцы для измерения ускорений отличаются друг от друга в первую очередь жесткостью торсионов, используемых в их конструкциях, которая зависит от их толщины. Кроме того, применяются разные типы корпусов, где используются разные электронные схемы обработки сигналов. Образцы условно разбиты на группы: образец №1 (801МСУ1Л-1,2-А-1) - для измерения в диапазоне значений ускорения до 1,2 g (рис.1,а); образец № 2 (801МСУ1Л-5-А-1) и образец №4 (ПЛУ 5-17) - до 5 g (рисЛДг); образец №3 (201МСУ1Л50А) - до 50 g (рис.1,в). В каждой группе исследовано не менее пяти образцов.
а б в г
Рис. 1. Экспериментальные образцы ММА с разным диапазоном измерения ускорений: а - образец №1 (до 1,2 g); б - образец №2 (до 5 g); в - образец №3 (до 50 g); г - образец №4 (до 5 g) Fig. 1. Experimental samples of MMA for research with a different measurement range of accelerations: a - sample №1 (up to 1,2 g); b - sample №2 (up to 5 g); c - sample №3 (up to 50 g); d - sample №4 (up to 5 g)
Воздействие на образцы синусоидальных вибраций проводится из окружающей среды. Подобные вибрации могут иметь различные частоты [3]. Механические удары, воздействующие на образцы, характеризуются стремительным, быстро растущим во времени ускорением. Удары обычно описываются пиковым ускорением. Механические удары относятся к наиболее характерным видам внешних воздействий в реальных условиях эксплуатации приборов. При ударах происходит непериодическое возбуждение механической системы, которое характеризуется интенсивностью, частотой, жесткостью нагрузки и способно вызывать значительные смещения элементов конструкции приборов и систем относительно друг друга [4]. Как реакция на удар возможны следующие ситуации. Из-за превышения предела текучести материала при интенсивном ударе происходит перелом. Повреждения могут привести, в частности, к так называемой стимуляции из-за контакта деталей при ударе [4, 5]. При отсутствии удара детали, например гребенки актюатора, работают, не касаясь друг друга, а при стимуляции может произойти их замыкание и потеря работоспособности актюатора. Расслаивание может происходить, например, из-за отказа крепления между слоями, короткое замыкание - из-за контакта деталей с различными потенциалами, например зубцов гребенчатых электродов актюатора.
Для измерений характеристик образцов ММА на вибростенде LDS V455 при механических ударах используется программно-аппаратный комплекс [6]. На шейкере есть место для установки тестируемых образцов акселерометров. С компьютера управляющий сигнал подается к шейкеру через усилитель мощности LDS-PA1000L. Обратная связь между управляющим блоком и вибростендом обеспечивает контроль параметров движения шейкера.
Исследование выходных характеристик образцов ММА при синусоидальной вибрации. ММА характеризуются рядом параметров, в том числе чувствительностью, линейностью, полосой пропускания, рабочим диапазоном температуры и др. [7-10]. Исследованы амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) образцов ММА. Испытания с измерением АЧХ позволяют определить отклонения чувствительности и фазовый сдвиг в зависимости от рабочей частоты [11, 12]. На вибростенде задавались параметры воздействий: диапазон рабочих частот 12-2 500 Гц; амплитуда ускорения (в единицах §). На рис.2,а показана АЧХ ММА при вибрационном воздействии ускорения ±1,2 g в рабочем диапазоне частот 12-2 500 Гц (образец №1). Видно, что характеристика линейна до 500 Гц. При возрастании частоты появляется резонансный пик на частоте 1 300 Гц, что, скорее всего, вызвано недостаточным демпфированием чувствительного элемента ММА.
Рис.2. АЧХ образцов ММА при разном вибрационном воздействии ускорения: а - образец №1 (±1,2 g); б - образец №2 (±5 g); в - образец №4 (±5 g); г - образец №3 ( ±50 g) Fig.2. The amplitude-frequency characteristics of samples of MMA under a different vibration acceleration: a - sample №1 (±1,2 g); b - sample №2 (±5 g); c - sample №4 (±5 g); d - sample №3 ( ±50 g)
Амплитуда выходного сигнала (рис.2) определяется по формуле
A = 201og(V> / V),
где А - амплитуда, дБ; Vi - выходное напряжение при постоянном ускорении 1,2 g на частоте f = 0 (для образца №1); V2 - входное напряжение при постоянном ускорении 1,2 g на частоте f
На рис.2,б показана АЧХ ММА при вибрационном воздействии ускорения ±5 g (образец №2). Видно, что характеристика линейна до частоты вибрации 600 Гц. Затем с повышением частоты появляется резонансный пик на частоте 1 300 Гц, что, скорее всего, так же вызвано недостаточным демпфированием чувствительного элемента ММА. Образцы №1 и №2, исследованные при вибрационном воздействии ускорения ±1,2 и ±5 g, имеют одинаковые резонансные частоты. АЧХ образцов №1 и №2 получены для диапазона частот 12-2 500 Гц и характеризуются линейностью до частоты 500-550 Гц.
Далее наблюдается максимум АЧХ в области резонанса, который для образца №1 имеет место при частоте 1 300 Гц, а для образца №2 - при частоте 1 000 Гц. При повышении частоты выше резонансной появляются паразитные резонансные частоты (при 2 000 Гц для образца №1, при 1 900 и 2 400 Гц для образца №2).
На рис.2,в показана АЧХ ММА при вибрационном воздействии ускорения ±5§ (образец №4). АХЧ имеет широкую полосу рабочих частот (по сравнению с другими образцами), линейность до 760 Гц. АЧХ отличается отсутствием паразитных пиков, которые имеют место у образцов №1 и №2 акселерометров (см. рис.2,а,б).
На рис.2,г показана АЧХ ММА при вибрационном воздействии ускорения ± 5§ (образец №3). АХЧ имеет достаточно широкую полосу рабочих частот, линейную до 550 Гц.
АЧХ образцов №3 и №4 в диапазоне частот 12-2 500 Гц имеют линейность в более широком диапазоне частот (до 650-700 Гц у образца №4, до 750-800 Гц у образца №3). Затем наблюдается спад АЧХ, резонанс отсутствует.
Таким образом, влияние синусоидальной вибрации на АЧХ четырех образцов ММА заметно отличается в зависимости от вибрационного ускорения. Это позволяет сделать выводы о возможных областях применения образцов. Полученные АЧХ ММА могут использоваться для характеристики их качества. Например, АЧХ образцов №1 и №2 свидетельствуют об их недостаточно высоком качестве. Это отражается в линейности АЧХ только в ограниченном частотном диапазоне и наличии нескольких резонансных частот, что может быть связано с недостаточно отработанной технологией изготовления дан_I _2
ных образцов. В частности, внутрикорпусное давление (~ 10 - 10 мм рт. ст.) оказывает значительное влияние на колебательный процесс чувствительного элемента внутри корпуса, поскольку на движение чувствительного элемента влияет газовое демпфирование, в большой мере определяемое внутрикорпусным давлением. Улучшения АЧХ можно добиться стабилизацией внутрикорпусного давления при отработке режима герметизации корпусов. Отметим, что для выяснения причин снижения качества образцов требуется анализ их внутренней структуры и методов корпусирования, что может быть самостоятельной задачей. АЧХ образцов №3 и №4 свидетельствуют об их высоком качестве.
Исследование выходных сигналов образцов ММА при динамическом ударе.
Ударное, или шоковое, воздействие на приборы (датчики) описывается кривой ускорения во времени, которая для реальных ситуаций, как правило, имеет сложную форму. Согласно [4] ударные импульсы могут быть аппроксимированы полусинусоидальными импульсами с длительностью, равной половине периода функции синуса. Пик ускорения выражается как а-пик, а длительность т импульса считается при ударе (рис.3). Как правило, чем выше амплитуда пикового ускорения, тем короче его продолжительность. Выходные сигналы образцов ММА рассмотрены при воздействии удара полусинусоидальной формы, что соответствует работе [13]. Испытание на устойчивость к воздействию одиночных ударов (испытание 106 согласно ГОСТу) проводится с целью проверки изделий на противостояние разрушающему влиянию механических ударов одиночного действия и выполнение после этого своих функций. Искажение выходного сигнала или изменение его значения входит в число ре-
X
Время
Рис.3. Ударная модель с использованием приближения полусинусоидальной формы Fig.3. Shock model using the approximation of half-sine shape
комендуемых параметров, по которым можно судить об устойчивости к воздействию одиночных ударов изделий в целом [13].
Проведены эксперименты по исследованию воздействия удара на датчики ММА по основной оси чувствительности. С помощью вибростенда LDS V455 задавались интенсивность и продолжительность удара. Для образцов ММА, рассчитанных на диапазон измеряемых ускорений до ±1 g, ±5 g, ±20 g и более ±20 g, амплитуда вибраций (воздействующие ускорения при ударе) равны соответственно 0,5 g, 1 g, 2 g и 3 g.
На рис.4 представлены выходные сигналы образцов ММА при воздействии на них удара по оси чувствительности Z. На рис.4,а показан выходной сигнал ММА при ударе с амплитудой ±0,5 g (образец №1). Видно, что выходной сигнал не входит в профиль эталонного сигнала и ограничен по амплитуде. На рис.4,6 приведен выходной сигнал ММА при ударе ±1 g (образец №2). Датчик в целом отрабатывает эталонный профиль удара и послеударную область, но имеет некоторые незначительные погрешности, а именно минимальное демпфирование на резонансной частоте. На рис.4,в показан выходной сигнал ММА при ударе с амплитудой ±1 g (образец №4). Выходной сигнал полностью входит в заданный эталонный профиль. Образец хорошо отрабатывает профиль удара и послеударное время. На рис.4,г представлен выходной сигнал ММА при ударе с амплитудой ±3 g (образец №3). Выходной сигнал не входит в профиль,
Рис.4. Выходные сигналы образцов ММА при ударе с разной амлитудой: а - образец №1 (±0,5 g); б - образец №2 (±1 g); в - образец №4 (±1 g); г - образец №3 (±3 g) (1 - выходной сигнал образца МММ; 2 - границы воздействующего сигнала; 3 - эталонный сигнал,
создаваемый вибростендом и воздействующий на испытуемый датчик) Fig.4. Output signals of the MMA samplesduring the kick with a different amplitude: a - sample №1 (±0,5 g); b - sample №2 (±1 g); c - sample № 4 (±1 g); d - sample № 3 (±3 g) (1 - the output signal of the MMM sample; 2 - the boundaries of the acting signal; 3 - the reference signal generated by
the vibrostand and acting on the test sensor)
отклонения от него значительны. Возможная причина отклонения от эталонного профиля в том, что вибростенд, использованный в эксперименте, не может обеспечить заданный профиль удара, так как образец предназначен для использования в большом диапазоне значений воздействующего ускорения (З0 g).
Заключение. Наличие резонансных пиков, линейность АХЧ в ограниченном частотном диапазоне свидетельствуют о недостаточной отработанности технологии изготовления (несовершенстве конструкции) образцов ММА. Для выяснения причин снижения качества образцов требуется анализ внутренней структуры образцов и методов их корпусирования. Области применения образцов ММА могут быть выбраны в соответствии с видом полученных для них АЧХ. Образцы ММА 801MСУ1Л-1,2-A-1 и 801MСУ1Л-5-A-1 могут применяться при измерениях параметров и характеристик процессов землетрясений (частота которых находится между 1 и ЗЗ Гц), на кораблях (частота обычно составляет от 3 до 3G Гц) и в дорожно-транспортных средствах (частота 1 и 500 Гц). Образцы ММА ПЛУ З-17 и 201MCУ1Л50A можно использовать не только при измерениях параметров движения и характеристик землетрясений, но и в кораблестроении, автомобилестроении, а также в авиации и космических аппаратах.
Подбор допустимой ударной нагрузки на образцы ММА должен осуществляться с учетом откликов, т.е. выходных сигналов на ударное воздействие. В проведенном эксперименте приемлемый отклик получен для образцов ММА, рассчитанных на диапазон измерения до ±З g. Следовательно, ударное воздействие с амплитудой вибрации, не превышающей 1 g, является допустимым.
Литература
1. Вавилов В.Д., Тимошенков С.П., Тимошенков А.С. Микросистемные датчики физических величин: монография. В 2 ч. Ч.1. - М.: Техносфера, 2G18. - ЗЗ0 с.
2. Тимошенков С.П., Симонов Б.М., Горошко В.Н. Надежность технических систем и техногенный риск. - М.: Юрайт, 2017. - З02 с.
3. Christian L. Sinusoidal vibration. - Second Ed. - Wiley book. - 2GG9. - Vol. 1. - 41G р.
4. Allyson L.H., Mark G.S., Herbert R.S. MEMS reliability. - Springer MEMS Reference Shelf, 2G1G. - 3G6 р.
5. Patrick L.W. Selecting accelerometers for mechanical shock measurements II Journal for Sound and Vibration. - 2GG7. - P. 14-18.
6. Аунг Тхура, Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Исследование воздействия случайной вибрации на характеристики микромеханических акселерометров // Изв. вузов. Электроника. - 2G19. - Т. 24. - № З. - С. З11-52G.
7. Оценка работоспособности чувствительного элемента преобразователя линейных ускорений и расчет основных параметров I В.В. Калугин, С.А. Анчутин, Е.С. Кочурина и др. // Приборы. Приборы и средства автоматизации. - 2G18. - №9 (219). - С. 1-5.
8. Особенности конструкции и технологии изготовления чувствительного элемента микроакселерометра I С.П. Тимошенков, В.В. Калугин, С.А. Анчутин и др. // Сб. тез. Междунар. форума «Микроэлектроника^^» 4-й Междунар. науч. конф. «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» (Алушта, G1-G6 окт. 2018 г.). - М.: Техносфера, 2G18. - С. 425-426.
9. Timoshenkov S., Kalugin V., Anchutin S., Kochurina E. Simulation of the sensitive elements of the mi-cro-accelerometer with the software product ANSYS II Proc. of International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2018». (Zvenigorod, 1-5 Oct., 2G18). - M.: MAKS Press, 2G18. - 95 p.
1G. Keya Sanyal, Kalyan Biswas. Structural design and optimization of MEMS based capacitive accel-erometer II Devices for Integrated Circuit. IEEE. - 2G17. - March.
11. Челпанов И.Б., Евстифеев М.И., Кочетков А.В. Методы испытаний микромеханических датчиков и приборов // Приборы. - 2G14. - № 4(166). - P. 16-2G.
12. Ефремов А.К. Об эквивалентности испытаний на воздействие случайной вибрации // Вестник МГТУ им. Баумана. - 2G12. - №2 (27). - P. 22-38.
13. ГОСТ Р З1371-99. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. - М., 1999.
Поступила в редакцию 28.03.2019 г.; после доработки 02.07.2019 г.; принята к публикации 24.09.2019 г.
Аунг Тхура - аспирант Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Симонов Борис Михайлович - кандидат технических наук, доцент Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Тимошенков Андрей Сергеевич - инженер Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Vavilov V.D., Timoshenkov S.P., Timoshenkov A.S. Microsystem sensors of physical quantities: Monograph in two parts. Moscow, Technosphera Publ., 2018. P. 1. 550 p. (in Russian).
2. Timoshenkov S.P., Simonov B.M., Goroshko V.N. Reliability of technical systems and man-made risk. Moscow, Yurayt Publ., 2017. 502 p. (in Russian).
3. Christian L. Sinusoidal vibration. Second ed. Wiley book, 2009, vol. 1. 410 p.
4. Allyson L.H., Mark G.S., Herbert R.S. MEMS reliability. Springer MEMS Reference Shelf, 2010. 306 p.
5. Patrick L.W. Selecting accelerometers for mechanical shock measurements. Journal for Sound and Vibration, 2007, pp. 14-18.
6. Aung Thura, Simonov B.M., Timoshenkov S.P. Research of influence of random vibrations on MEMS samples. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2019, vol. 24, no. 5, pp. 511520. (In Russian).
7. Kalugin V.V., Anchutin S.A., Kochurina E.S., Golovin M.S., Shalimov A.S. Performance evaluation of a sensitive element of the Converter of linear acceleration and the calculation of the basic parameters. Devices and means of automation, 2018, vol. 219, no. 9, pp.1-5. (in Russian).
8. Timoshenkov S.P., Kalugin V.V., Zaryankin N.M. Kochurina E.S. Design features and manufacturing technology of sensitive element of microaccelerometer. 4th International scientific conference «Electronic component base and microelectronic modules». Moscow, Technosphera Publ., 2018, pp. 425-426. (in Russian).
9. Timoshenkov S., Kaluga V., Anchutin S., Kochurina E. Simulation of the sensitive elements of the mi-cro-accelerometer with the software product ANSYS. Proceedings of International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2018». Moscow, MAKS Press Publ., 2018, 95 p.
10. Keya Sanyal, Kalyan Biswas. Structural design and Optimization of MEMS based Capacitive Accel-erometer. IEEE. Devices for Integrated Circuit, March, 2017.
11. Chelpanov I.B, Evstifeev M.I., Kochetkov A.V. Test methods of micromechanical sensors and devices. Devices, 2014, no. 4(166), pp.16-20. (in Russian).
12. Efremov A.K. On the equivalence of tests for the effect of random vibration. Vestnik MGTU im. Baumana = Herald of the Bauman Moscow State Technical University, 2012, no. 2 (27), pp. 22-38. (in Russian).
13. State standard R 51371-99. Test Methods for resistance to mechanical external factors of machines, devices and other technical products. Moscow, 1999. (in Russian).
Received 28.03.2019; Revised 02.07.2019; Accepted 24.09.2019.
Information about of authors:
Aung Thura - PhD Student of the Institute of Nano-and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Boris M. Simonov - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Nano-and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Andrey S. Timoshenkov - Engineer of the Institute Biomedical Systems, National Researh University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
