CC BY
7МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА MICRO- AND NANOSYSTEM TECHNOLOGY
Научная статья УДК 621.382-027.31
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-5-642-648 EDN: REPBAZ
Исследование влияния степени вакуумирования на добротность колебательного контура чувствительного элемента МЭМС-датчика
С. П. Тимошенков1, А. С. Тимошенков1'2, С. А. Анчутин1'2,
12 12 12 3
Е. С. Кочурина ' , И. С. Дернов ' , А .С. Мусаткин ' , А. А. Лебедев
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия
2
ООО «Лаборатория Микроприборов», г. Москва, Россия 3Московский авиационный институт, г. Москва, Россия
Аннотация. Добротность колебательного контура чувствительного элемента МЭМС-датчика зависит от многих факторов, в том числе от геометрии чувствительного элемента и степени вакуумирования. Разрабатываемые микромеханические элементы могут выполнять задачи измерения ускорения, угловой скорости, давления и т. д. Чувствительный элемент размещают в отдельном корпусе с определенной газовой средой, состояние которой оказывает влияние на характеристики прибора. В работе предложен метод определения зависимости добротности колебательного контура чувствительного элемента МЭМС-датчика от степени вакуумиро-вания. Представлен стенд для проведения исследований. На основе полученных экспериментальных данных проведены численные расчеты добротности. Установлено, что степень вакуумирования оказывает существенное влияние на добротность колебательного контура.
Ключевые слова: МЭМС-датчик, чувствительный элемент, колебательный контур, степень вакуумирования, добротность
Для цитирования: Исследование влияния степени вакуумирования на добротность колебательного контура чувствительного элемента МЭМС-датчика / С. П. Тимошенков, А. С. Тимошенков, С. А. Анчутин и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 5. С. 642-648. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-5-642-648. - EDN: REPBAZ.
© С. П. Тимошенков, А. С. Тимошенков, С. А. Анчутин, Е. С. Кочурина, И. С. Дернов, А .С. Мусаткин, А. А. Лебедев, 2023
Original article
Investigating the influence of vacuum degree on merit factor of oscillating circuit of MEMS sensor sensitive element
• 1 * 12 * 12 S. P. Timoshenkov , A. S. Timoshenkov ' , S. A. Anchutin ' ,
17 17 1 У 3
E. S. Kochurina ' , I. S. Dernov ' , A. S. Musatkin ' , A. A. Lebedev
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
2 a >>
"Laboratory of Micro Devices " LLC., Moscow, Russia Moscow Aviation Institute, Moscow, Russia
Abstract. The merit factor of oscillating circuit of the MEMS sensor's sensitive element depends on numerous factors, in particular on sensitive element geometry and vacuum degree. Micromechanical elements under development can perform tasks of measuring acceleration, angular rate, pressure, etc. Sensitive element is placed in a separate cell box with specified gas filling, the state of which influences the instrument capabilities. In this work, a method for determination of MEMS sensor sensitive element's oscillating circuit merit factor dependence on vacuum degree is proposed. A test setup for research is described. Based on the experimental data obtained, numeric calculations of merit factor were performed. It has been established that vacuum degree exerts a significant impact on the merit factor of oscillating circuit.
Keywords. MEMS sensor, sensitive element, oscillating circuit, vacuum degree, merit factor
For citation. Timoshenkov S. P., Timoshenkov A. S., Anchutin S. A., Kochurina E. S., Dernov I. S., Musatkin A. S., Lebedev A. A. Investigating the influence of vacuum degree on merit factor of oscillating circuit of MEMS sensor sensitive element. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 5, pp. 642-648. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-5-642-648. - EDN: REPBAZ.
Введение. Разрабатываемые микромеханические элементы могут выполнять задачи измерения ускорения, угловой скорости, давления и т. д. Чувствительный элемент (ЧЭ) МЭМС-датчика размещен в отдельном корпусе с определенной газовой средой, состояние которой, например степень вакуума, оказывает влияние на характеристики прибора. Для достижения требуемой полосы пропускания МЭМС-акселерометров, в частности МА-10 и МА-20 (ООО «ЛМП», г. Москва), в процессе производства необходимо обеспечить вакуумирование ЧЭ.
Цель настоящей работы - исследование зависимости добротности ЧЭ от степени вакуумирования.
Эксперимент. ЧЭ (рис. 1) представляет собой конструкцию маятникого типа. Инерционная масса, подвешенная к основанию с помощью упругих элементов, поворачивается под действием ускорения. Система съема сигнала о повороте ЧЭ емкостная [1, 2]. ЧЭ размещен в негерметичном металлостеклянном корпусе.
Уравнение, которое описывает движение исследуемого чувствительного элемента МЭМС-датчика, имеет следующий вид: ,/ф + йф + Аф = ста, где J - момент инерции ЧЭ относительно оси вращения; ф - угол отклонения ЧЭ; b - коэффициент демпфирования;
к - коэффициент жесткости на кручение; с - смещение центра масс ЧЭ; т - масса чувствительного элемента; а - действующее ускорение.
Добротность колебательной системы характеризует, насколько запасы энергии системы больше возникающих ее потерь при изменении фазы на 1 рад. Данное значение обратно пропорционально скорости затухания собственных колебаний системы. Затухание амплитуды собственных колебаний ЧЭ описывается экспоненциальным законом: у(Т) = Ае А, где А0 - амплитуда колебаний ЧЭ.
Коэффициент затухания определяется добротностью:
А =
1 20
здесь ш0 - собственная частота колебаний ЧЭ; Q - добротность системы, которая равна:
2 А
Рис. 1. Внешний вид ЧЭ 1, размещенного
в металлостеклянном корпусе 2 Fig. 1. Appearance of the sensitive element 1 placed in a metal-glass case 2
Q =
ron
Для экспериментального определения добротности Q необходимо оценить значения ш0 и А1. Исследования добротности ЧЭ МЭМС-акселерометра от степени вакуумирования проводили на стенде (рис. 2), в состав которого входит вакуумная камера с находящейся в ней платой с ЧЭ МЭМС-акселерометра (рис. 3).
Рис. 2. Огенд для проведения исследований: 1 - ПК; 2 - генератор; 3 - источник питания; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - вакуумная камера; 6 - вакуумметр Fig. 2. Stand designed for research: 1 - PC; 2 - generator; 3 - power supply; 4 - analog-to-digital converter; 5 - vacuum chamber; 6 - vacuum gauge
Рис. 3. Плата 1 с исследуемыми образцами ЧЭ 2, расположенная в вакуумной камере Fig. 3. Board 1 with the samples under study of the sensitive element 2, which is located in the vacuum chamber
В вакуумной камере создается разрежение, давление в камере измеряется с помощью вакуумметра. На резонансной частоте ЧЭ возбуждаются колебания ЧЭ (электростатической силой) с помощью генератора сигнала синусоидальной формы амплитудой 5 В. В начале эксперимента генератор выключали и записывали затухающие колебания ЧЭ с помощью АЦП. Амплитуда затухания записанного сигнала аппроксимируется с использованием нелинейного метода наименьших квадратов (вычисления проводили в программном пакете MATLAB):
ii = (find((y-mean(y))>0)); yf = smooth(y(ii) ,100); yf = yf(100:end); tf = tg(ii); tf = tf(100:end);
fo = fitoptions('Method', 'NonlinearLeastSquares', ...
'StartPoint', [100, 0.01, mean(y)]); ft = fittype('a0*exp(-a1*x)+a2', ...
'options', fo); [data_fit, gof2] = fit(tf,yf,ft); Y = fft(y); L = length(Y); ff = [0:L/2-1]/L*Fs; ampl = abs(Y /L); [v,i] = max(ampl(100:L/2)); Q = pi*ff(i)/data_fit.a1;
Собственную частоту колебаний оценивали с помощью разложения записи в ряд Фурье. Результаты исследования. На рис. 4 показан спектр выходного сигнала ЧЭ, собственная частота составляет 1570 Гц. На рис. 5 приведены записи затухающих колебаний ЧЭ и амплитуды колебаний при разных давлениях в камере.
и too 1м mû :so зоз з» «оз ы w sso too бю m 750 воо ам sco 9»
1. Ut MK 1.% t
Рис. 4. Спектр выходного сигнала ЧЭ Fig. 4. The spectrum of the output signal sensitive element
Рис. 5. Затухающие колебания ЧЭ (1) и амплитуда колебаний (2) при давлении 1,4-10" мм рт. ст. (а)
и 110-6 мм рт. ст. (б)
Fig. 5. Recording of damped sensitive element oscillations (1) and oscillation amplitude (2) at a pressure of 1.4 10-2 mm Hg (a) and 1106 mm Hg (b)
Приведем результаты оценки добротности ЧЭ, полученной на основе экспериментальных данных, в зависимости от давления в камере:
Давление в камере, Добротность
мм рт. ст 1,410-2 ...
910-
2206,19 3178,21
7,5-10 ............................................. 3866,85
1010
........................................ 5279,52
........................................ 6763,99
10-5................................................7169,00
,-4
101010-
..........................................7167,49
.......................................... 7546,17
.......................................... 7477,90
10-6................................................ 8699,30
Давление, мм. рт. ст.
Рис. 6. Зависимость добротности колебательного контура от давления в камере Fig. 6. Dependence of the quality factor of the oscillatory circuit on the pressure in the chamber
_^ _2
Разработанный ЧЭ способен измерять давление в диапазоне 10-4-10-2
На основе полученных данных построен график зависимости добротности колебательного контура от давления в камере -степени вакуумирования (рис. 6). Характер графика соответствует результатам, показанным в работах [3, 4].
Заключение. Результаты проведенного экспериментального исследования зависимости добротности колебательного контура ЧЭ от степени вакуумирования не противоречат известным результатам [3, 4] и подтверждают, что степень вакуумирования оказывает существенное влияние на добротность колебательного контура.
--2
мм рт. ст.
Установлена зависимость добротности колебательного контура от степени вакуумиро-вания для исследуемой разработанной конструкции ЧЭ. В диапазоне давлений мм рт. ст. зависимость добротности колебательного контура от давления близка к линейной. В этом диапазоне разработанный ЧЭ можно использовать и для измерения степени вакуумирования. При значении давления в камере ниже 10-4 мм рт. ст. добротность практически перестает зависеть от давления. Это свидетельствует о том, что при высокой степени вакуумирования газовое демпфирование не оказывает существенного влияния на параметры колебательного контура и добротность ЧЭ определяется другими факторами, в частности трением в материале, диссипацией энергии в подвесе и т. п.
Материалы статьи доложены на Российском форуме «Микроэлектроника 2022» (2-8 октября 2022 г., г. Сочи).
Литература
1. Разработка чувствительного элемента микромеханического акселерометра / Е. С. Кочурина, С. А. Анчутин, В. В. Калугин и др. // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 1. С. 59-67. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2022-27-1-59-67. - EDN: 1Р8КАХ.
2. Разработка и исследование МЭМС-акселерометра / Е. С. Кочурина, С. А. Анчутин, А. С. Мусаткин и др. // Наноиндустрия. 2022. Т. 15. № 88-1 (113). С. 235-238. https://doi.org/10.22184/ 1993-8578.2022.15.8s.235.238. - EDN: ^УвК.
3
3. Gavan K. B., Heijden J. van der, Drift E. W. J. M. van der, Zant H. S. J. van der. Effect of pressure on the Q factor and the resonance frequency of SiN microcantilevers // 2009 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. Shenzhen: IEEE, 2009. P. 380-384. https://doi.org/10.1109/ NEMS.2009.5068600
4. Blom F. R., Bouwstra S., Elwenspoek M., Fluitman J. H. J. Dependence of the quality factor of micromachined silicon beam resonators on pressure and geometry // J. Vac. Sci. Technol. B. 1992. Vol. 10. Iss. 1. P. 19-26. https://doi.org/10.1116/1.586300
Статья поступила в редакцию 07.03.2023 г.; одобрена после рецензирования 05.07.2023 г.;
принята к публикации 08.08.2023 г.
Информация об авторах
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, директор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Тимошенков Алексей Сергеевич - доктор технических наук, доцент Института на-но- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), генеральный директор ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), [email protected]
Анчутин Степан Александрович - ведущий инженер Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), ведущий инженер ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), [email protected]
Кочурина Елена Сергеевна - кандидат технических наук, доцент Института нано-и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), главный метролог ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), [email protected]
Дернов Илья Сергеевич - инженер Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), [email protected]
Мусаткин Александр Сергеевич - инженер Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер ООО «Лаборатория Микроприборов» (Россия, 124527, г. Москва, г. Зеленоград, Солнечная аллея, 6), musatkin.a@hotmail .com
Лебедев Андрей Александрович - кандидат технических наук, доцент Института общеинженерной подготовки Московского авиационного института (Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское ш., 4), [email protected]
References
1. Kochurina E. S., Anchutin S. A., Kalugin V. V., Zaryankin N. M., Timoshenkov A. S., Dernov I. S. Development of a sensitive element of a micromechanical accelerometer. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 1, pp. 59-67. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-1-59-67. -EDN: JPSKAX.
2. Kochurina E. S., Anchutin S. A., Musatkin A. S., Dernov I. S., Timoshenkov A. S., Polushkin V. M., Timoshenkov S. P. Research and development of a MEMS-accelerometer. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2022, vol. 15, no. S8-1 (113), pp. 235-238. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.8s.235.238. -EDN: NAVGJZ.
3. Gavan K. B., Heijden J. van der, Drift E. W. J. M. van der, Zant H. S. J. van der. Effect of pressure on the Q factor and the resonance frequency of SiN microcantilevers. 2009 4th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. Shenzhen, IEEE, 2009, pp. 380-384. https://doi.org/10.1109/ NEMS.2009.5068600
4. Blom F. R., Bouwstra S., Elwenspoek M., Fluitman J. H. J. Dependence of the quality factor of micromachined silicon beam resonators on pressure and geometry. J. Vac. Sci. Technol. B, 1992, vol. 10, iss. 1, pp. 19-26. https://doi.org/10.1116/1.586300
The article was submitted 07.03.2023; approved after reviewing 05.07.2023;
accepted for publication 08.08.2023.
Information about the authors
Sergey P. Timoshenkov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Aleksey S. Timoshenkov - Dr. 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), General Manager of the "Laboratory of Micro Devices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), [email protected]
Stepan A. Anchutin - Leading Engineer of the Institute of Nano- and Microsystem Engineering, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer of the "Laboratory of Micro Devices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), [email protected]
Elena S. Kochurina - 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), Chief Metrologist of the "Laboratory of Micro Devices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), [email protected]
Ilya S. Dernov - Engineer of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer of "Laboratory of Micro Devices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), [email protected]
Alexandr S. Musatkin - Engineer of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Engineer of the "Laboratory of Micro Devices" LLC (Russia, 124527, Moscow, Zelenograd, Solnechnaya alley, 6), [email protected]
Andrey A. Lebedev - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of General Engineering Training, Moscow Aviation Institute (Russia, 125993, Moscow, Volokolamskoe highway, 4), [email protected]
