CC BY
51
Раздел I. Электроника и нанотехнологии
УДК 621.318.51, 621.3.049.7 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-6-15
И.Е. Лысенко, Н.Ф. Кидяев, Д.Ю. Севостьянов, А.В. Ярцев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХОСЕВОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА-АКСЕЛЕРОМЕТРА
Моделирование МЭМС-гироскоп-акселерометра с помощью SIMULINK. Для моделирования используется 2х осевой акселерометр, разработанный в рамках патента №2683810. При возникновении линейного ускорения вдоль оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки, инерционные массы под действием сил инерции начинают перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки, за счет изгиба упругих балок, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими - с опорами, соответственно, упругих балок и «П»-образных систем упругих балок, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими -с опорами. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линейного ускорения. При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов с гребенчатыми структурами переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 1800, относительно подвижных электродов, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению противофазных колебаний подвижных электродов в плоскости полупроводниковой подложки вдоль оси Х за счет изгиба упругих балок. Колебания передаются пластинами жесткости упругого подвеса 86, 87, что вызывает противофазные колебания инерционным массам в плоскости полупроводниковой подложки вдоль оси Y. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину перемещений инерционных масс под действием электростатических сил. Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и линейного ускорения, так как для измерения величин линейного ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и угловой скорости вдоль оси Х, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки используется только один интегральный микромеханический сенсор. Для математического моделирования подобных систем принято использовать HAMSTER, но в своей работе мы предпочли ему SIMULINK. Simulink - это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы. Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени. Актуальной темой для исследования представляется разработка конструкции МЭМС-акселерометра высокой точности и
помехоустойчивости. Ранее было произведено математическое моделирование движения микромеханического акселерометра, но выходной результат нуждался в корректировке. В данной статье продемонстрирована корректировка математической модели посредством введения в нее передаточной функции.
Микроэлектромеханические системы; элементная база; акселерометр; конструкция; модель; моделирование.
I.E. Lysenko, N.F. Kidyaev, D.U. Sevostyanov, A.V. Yartsev
SIMULATION OF TWO-AXIS MICROMECHANICAL GYROSCOPE-ACCELEROMETER
Modeling a MEMS gyroscope accelerometer with the use of SIMULINK. For modeling, a 2-axis accelerometer is used, developed as part of patent No. 2683810. When linear acceleration occurs along an axis located in the plane of the semiconductor substrate, the inertial masses under the action of inertia begin to move along the X axis in the plane of the semiconductor substrate, due to the bending of elastic beams, which are rigidly connected at one end to the moving electrodes of capacitive displacement transducers and the other with supports, respectively, of elastic beams and "P"-shaped systems of elastic beams that are rigidly connected at one end to the movable electrodes of the capacitive transducer of movements, and others - with supports. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducers formed by the fixed electrodes of the capacitive displacement transducers and the movable electrodes of the capacitive displacement transducers, respectively, due to a change in the gap between them, characterizes the magnitude of the linear acceleration. When electrostatic drives with comb structures of alternating voltages, 1800 phase-shifted relative to each other, are applied to the stationary electrodes relative to the movable electrodes, an electrostatic interaction occurs between them, which leads to the appearance of out-of-phase oscillations of the moving electrodes in the plane of the semiconductor substrate along the X axis due to bending elastic beams. Oscillations are transmitted by the stiffening plates of the elastic suspension 86, 87, which causes out-of-phase oscillations of inertial masses in the plane of the semiconductor substrate along the Y axis. The voltage difference generated by the capacitive displacement transducers formed by the stationary electrodes of the capacitive displacement transducers and the moving electrodes of the capacitive displacement transducers, respectively, due to changes in the gap between them, characterizes the amount of displacement of inertial masses under the influence of electrostatic human forces. Thus, in comparison with similar devices, the proposed integrated micromechanical gyroscope-accelerometer reduces the substrate area used for the placement of measuring elements of the angular velocity and linear acceleration, since for measuring linear acceleration along the X and Y axes located mutually perpendicular to the plane the substrate, and the Z axis directed perpendicular to the plane of the substrate, and the angular velocity along the X axis located in the plane of the substrate, and the Z axis directed per Pendicular to the plane of the substrate, only one integrated micromechanical sensor is used. For mathematical modeling of such systems, it is customary to use HAMSTER, but in our work we preferred SIMULINK to it. Simulink is a graphical simulation environment that allows using block diagrams in the form of directed graphs to build dynamic models, including discrete, continuous and hybrid, nonlinear and discontinuous systems. Simulink interactive environment allows you to use ready-made library libraries for modeling electric power, mechanical and hydraulic systems, as well as apply the developed model-oriented approach to the development of control systems, digital communications and real-time devices. A relevant topic for research is the development of the design of a MEMS accelerometer of high accuracy and noise immunity. Previously, mathematical modeling of the movement of the micromechanical accelerometer was performed, but the output result needed to be adjusted. This article demonstrates the adjustment of the mathematical model by introducing the transferfunction into it.
Micromechanical systems; elements base; accelerometer; design; model; simulation.
Введение. В современном мире качественное и оперативное определение местоположения в пространстве является необходимым требованием к многочисленным устройствам, которые применяются в различных областях промышленности, и особенно, для решения задач военно-промышленного комплекса [2, 3].
В настоящее время микромеханические гироскопы находят широкое применение в автомобилестроении, медицинской технике, мобильных телефонах, навигации, энергетике, нефтяной и газовой промышленности, системах управления для определения углового положения объекта. ММГ также применяют в телескопах и видео и фототехнике для стабилизации изображения [4-6].
Наряду с расширением области применения ММГ, постоянно возрастают требования к точности и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов [7, 11].
Главными преимуществами микромеханических гироскопов является их малые габариты (примерно 10x10x10 мм), масса до нескольких десятков 10 грамм, а также повышенная надежность работы из-за отсутствия быстро вращающихся частей (ротор и карданный подвес), минимальное потребление электроэнергии за счет реализации основных функциональных узлов на базе сервисной микроэлектроники. При этом ММГ имеют достаточно небольшую себестоимость производства: от нескольких сот до единиц долларов в зависимости от характеристик гироскопа [6-10, 12].
Актуальной темой для исследования представляется разработка конструкции МЭМС-акселерометра высокой точности и помехоустойчивости.
На рис. 1 и 2 показаны топология и вид сбоку МЭМС гироскоп-акселерометра.
7 X
Г
"Г
бГ
Рис. 1 Топология МЭМС гироскоп-акселерометра
А-А
Рис. 2 Вид сбоку МЭМС гироскоп-акселерометра
53 34 3 22
54 16 23 4 35 78 76 46 79 36
По сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, используемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и линейного ускорения, так как для измерения величин линейного ускорения вдоль осей Х и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки, и угловой скорости вдоль оси Х, расположенной в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки используется только один интегральный микромеханический сенсор [3, 14-16].
В статье представлена корректировка поведенческой модели в среде MathLab SIMULINK посредством введения в нее передаточной функции. Сама модель представлена на рис. 3 [13].
Рис. 3 Поведенческая БМиЬШК-модель микромеханического акселерометра
Передаточная функция чувствительного элемента микромеханического акселерометра с двумя осями чувствительности может быть получена на основе уравнения Лагранжа второго рода [17-20]:
о , о , и о , о , и
х + Ъд-х+х-^-г-^-и^-и^-—-2—) = а1+2-М3-ивс-илс1-—*—+£1-(у+П-хУ, (1)
аг-т-х аг-т >
.¡•••:-л'.г . 2-V../ « .2.V../ ()-1А- П-.Г1.
аг-т■ у аг-т
где х, у - перемещения чувствительного элемента по осям Х и Y; m - масса чувствительного элемента; Ю01, Юог - собственные частоты колебаний чувствительного элемента по осям Х и Y; ^ - угловая скорость; ах, аy - линейные ускорения по осям Х и Y; N3 - число пальцев подвижного гребенчатого электрода электростатического привода; е - относительная диэлектрическая проницаемость воздушного зазора; е0 - электрическая постоянная; h - толщина структурного слоя; d2 - зазор между пальцами гребенок подвижного и неподвижного электродов электростатического привода; - постоянное напряжение; Ща, - переменные напряжения.
Раскрыв все скобки получаем:
аг-т аг-т (/)
аг-т аг-т
Следует перенести все члены в левую часть уравнения и сгруппировать:
х + 2-<5-х + х-(®021 -02)-4-Ж3-ивс-илс1 -в'в° к-ах-у-В. = 0;
с12-т (3)
у + 2-5-у+у-(а>12-£1г)-<\-Ыг -ивс -илс2 +х-0 = 0,
а2-т
Перенести все члены, относящиеся к перемещению по оси Х в левую часть уравнения, а относящиеся к перемещению по оси У в правую и сгруппировать:
а2 ■ т (4)
а2 ■ т
Дифференцировать получившееся уравнение при помощи преобразования Лапласа:
аг-т-р (5)
аг-т-р
Сократив все нулевые коэффициенты и составив отношение, получаем передаточную функцию для чувствительного элемента микромеханического акселерометра с двумя осями чувствительности:
Р-+р>-(2-З-О) + К-О2 - 4-Ж, ■ивс-илс1-- ах У( Р) =_^-т (6)
х(р) Р .+р2.(2-З + О) + ^-О2 - 4-Ж, ■ивс-иАс2-^^ - ау '
я2 - т
Так как влияние переменных напряжений и угловой скорости крайне низкое, можно прировнять их к нулю, тогда итоговая передаточная функция для чувствительного элемента микромеханического акселерометра с двумя осями чувствительности примет вид:
у(Р)_ Р3 + Р2 -2-З + < -ах
х( р) р3 + р2-2 -З + а12 - а'
Добавив полученную передаточную функцию в поведенческую SIMULINK-модель микромеханического акселерометра, были получены следующие результаты, изображенные на рис. 4-7.
Рис. 4. Перемещение чувствительного элемента по осям Х и У при ах=±5g, аy=±0g
Рис. 5. Перемещение чувствительного элемента по осям Х и У при ах=±0g, аy=±5g
Рис. 6. Перемещение чувствительного элемента по осям Х и У при а.
Рис. 7. Перемещение чувствительного элемента по осям Х и У при ах=±5g, аy=+5g
Вывод. В представленной работе было произведено моделирование гироскоп-акселерометра в среде SIMULINK c интеграцией в математическую модель передаточной функции. Получены выходные данные и визуализированы в графиках. По результатам моделирования очевиден факт необходимости усовершенствования модели, но, тем не менее, полученный результат является показательным для определения характера движения инерционной массы.
Применение поведенческой модели микромеханического акселерометра позволит максимально точно рассчитать его электрические параметры, а также провести проверку поведения системы в критических условиях или аварийных сценариях. Тем самым происходит снижение затрат на изготовление дорогостоящих физических прототипов.
Преимущество программного пакета MATLAB SIMULINK для получения поведенческой модели в том, что он предназначен для моделирования и симуляций на системном уровне, что дает возможность упростить процесс расчета и сделать модель максимально универсальной.
Результаты получены с использованием оборудования студенческого конструкторского бюро «Элементы и приборы инерциальных навигационных систем робототехники» Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета (г. Таганрог) при финансовой поддержке «Программы развития Южного федерального университета до 2021 года» (проект ВнГр -07/2017-10).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трусфус М.В., Кирпичников А.П., Якимов И.М. Моделирование в системе структурного и имитационного моделирования SIMULINK // Текст научной статьи по специальности «Кибернетика».
2. Тимошенков С.П., Кульчицкий А.П. Применение МЭМС-сенсоров в системах навигации и ориентации подвижных объектов // Нано - и микросистемная техника. - 2012. - № 6.
- С. 51-56.
3. Иванов П.А. Разработка и исследование методов испытаний микромеханических инерциальных модулей: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. - СПб.: СПБГЭТУ им. В.И. Ульянова Санкт-Петербург, 2011. - 18 с.
4. Лысенко И.Е., Коноплев Б.Г., Кидяев Н.Ф., Шафростова С.И. Патент на изобретение №2683810 «Интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр».
5. Желтова Н.Н., Обухов, В.И. Применение микромеханических гироскопов в навигационных системах // Тр. НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2015. - № 1 (108). - С. 269-273.
6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. - Тула: Тульский государственный университет, 2007.
7. Лысенко И.Е., Науменко Д.В. Расчет амплитудно-частотных характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа с помощью конечно-элементного моделирования // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2019. - № 3 (205). - С. 143-152.
8. Лысенко И.Е., Ежова О.А. Трехосевой микромеханический акселерометр в однокристальном исполнении с диапазоном измеряемых линейных ускорений ±10 g // Наноин-дустрия. - 2019. - № 89. - С. 596-598.
9. Лысенко И.Е., Ткаченко А.В. Разработка ВЧ МЭМС-переключателя емкостного типа с перфорированной металлической мембраной // Известия ЮФУ. Технические науки.
- 2018. - № 2 (196). - С. 6-16.
10. Лысенко И.Е., Ежова О.А. Разработка и исследование конструкции микромеханического сенсора линейных ускорений // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2017. - № 3-4 (188-189). - С .223-232.
11. Лестев A.M., Попова И.В., Пятышев Е.Н. и др. Разработка и исследование микромеханического гироскопа // Гироскопия и навигация. - 1999. - № 2.
12. Бабур Н., Шмидт Дж. Направления развития инерциальных датчиков // Гироскопия и навигация. - 2000. - № 1.
13. Лысенко И.Е., Синютин С.А., Воронков О.Ю. Разработка поведенческой модели сенсора линейного ускорения с двумя осями чувствительности для моделирования в среде Simulink программного пакета MatLab // Инженерный вестник Дона. - 2014. - № 4.
- URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2672.
14. Lysenko I.E. Modeling of the micromachined angular rate and linear acceleration sensors LL-type with redirect of drive and sense axis // World Applied Sciences Journal. - 2013. - Vol. 27 (6).
- P. 759-762.
15. Лысенко И.Е., Ежова О.А. Критерии равенства собственных частот колебаний чувствительных элементов микромеханических гироскоповакселерометров // Инженерный вестник Дона. - 2014. - № 2. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2475.
16. Лысенко И.Е. Моделирование двухосевого микромеханического сенсора угловых скоростей и линейных ускорений LR-типа // Инженерный вестник Дона. - 2013. - № 1.
- URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1549.
17. Payal Verma, R. Gopal, Sandeep K. Arya. Behavioral Simulation of a Non-resonant MEMS Gyro-accelerometer // International Journal of Computer & Organization Trends. - February 2014. - Vol. 5. - P. 23-25.
18. Petko Petkov, Tsonyo Slavov. Stochastic Modeling of MEMS Inertial Sensors // Cybernetics and information technologies. - January 2010. - Vol. 10, No. 2. - P. 31-40.
19. Mehran Zareh, Sahel Soheili. A modified model reference adaptive control with application to MEMS gyroscope // Journal of Mechanical Science and Technology. - June 2011. - Vol. 25 (8).
- P. 1-7.
20. Ruth Houlihan, Michael Kraft. Modelling squeeze film effects in a MEMS accelerometer with a levitated proof mass // Journal of Micromechanics and Microengineering. - March 2005.
- Vol. 15. - P. 893-902.
REFERENCES
1. Trusfus M.V., Kirpichnikov A.P., Yakimov I.M. Modelirovanie v sisteme strukturnogo i imitatsionnogo modelirovaniya SIMULINK [Modeling in the system of structural and simulation modeling SIMULINK], Tekst nauchnoy stat'i po spetsial'nosti «Kibernetika» [Text of a scientific article on the specialty "Cybernetics"].
2. Timoshenkov S.P., Kul'chitskiy A.P. Primenenie MEMS-sensorov v sistemakh navigatsii i orientatsii podvizhnykh ob"ektov [Application of MEMS sensors in navigation and orientation systems for mobile objects], Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano-and Microsystem technology], 2012, No. 6, pp. 51-56.
3. Ivanov P.A. Razrabotka i issledovanie metodov ispytaniy mikromekhanicheskikh inertsial'nykh moduley: avtoref. diss. ... kand. tekhn. nauk [Development and research of test methods for micromechanical inertial modules: abstract cand. of eng. sc. diss.]. Saint Petersburg: SPBGETU im. V.I. Ul'yanova Sankt-Peterburg, 2011, 18 p.
4. Lysenko I.E., Konoplev B.G., Kidyaev N.F., Shafrostova S.I. Patent na izobretenie №2683810 «Integral'nyy mikromekhanicheskiy giroskop-akselerometr» [Patent for invention No. 2683810 "Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer"].
5. Zheltova N.N., Obukhov, V.I. Primenenie mikromekhanicheskikh giroskopov v navigatsionnykh sistemakh [Application of micromechanical gyroscopes in navigation systems], Tr. NGTU im. R.E. Alekseeva [Proceedings of the NSTU. R. E. Alekseeva], 2015, No. 1 (108), pp. 269-273.
6. Raspopov V.Ya. Mikromekhanicheskie pribory [Micromechanical devices]. Tula: Tul'skiy gosudarstvennyy universitet, 2007.
7. Lysenko I.E., Naumenko D.V. Raschet amplitudno-chastotnykh kharakteristik chuvstvitel'nogo elementa mikromekhanicheskogo giroskopa s pomoshch'yu konechno-elementnogo modelirovaniya [Calculation of the amplitude-frequency characteristics of the sensing element of a micromechanical gyroscope using finite element modeling], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 3 (205), pp. 143-152.
8. Lysenko I.E., Ezhova O.A. Trekhosevoy mikromekhanicheskiy akselerometr v odnokristal'nom ispolnenii s diapazonom izmeryaemykh lineynykh uskoreniy ±10 g [Three-axis micromechanical accelerometer in single-chip design with a range of measured linear accelerations of ±10 g], Nanoindustriya [Nanoindustry], 2019, No. 89, pp. 596-598.
9. Lysenko I.E., Tkachenko A.V. Razrabotka VCh MEMS-pereklyuchatelya emkostnogo tipa s perforirovannoy metallicheskoy membranoy [Development of a high-frequency MEMS switch of a capacitive type with a perforated metal membrane], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 2 (196), pp. 6-16.
10. Lysenko I.E., Ezhova O.A. Razrabotka i issledovanie konstruktsii mikromekhanicheskogo sensora lineynykh uskoreniy [Development and structural study of micromechanical linear acceleration sensor], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2017, No. 3-4 (188-189), pp .223-232.
11. Lestev A.M., Popova I. V., Pyatyshev E.N. i dr. Razrabotka i issledovanie mikromekhanicheskogo giroskopa [Development and research of a micromechanical gyroscope], Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation], 1999, No. 2.
12. Babur N., Shmidt Dzh. Napravleniya razvitiya inertsial'nykh datchikov [Directions of development of inertial sensors], Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation], 2000, No. 1.
13. Lysenko I.E., Sinyutin S.A., Voronkov O.Yu. Razrabotka povedencheskoy modeli sensora lineynogo uskoreniya s dvumya osyami chuvstvitel'nosti dlya modelirovaniya v srede Sim-ulink programmnogo paketa MatLab [Development of a behavioral model of a linear acceleration sensor with two sensitivity axes for simulation in the Simulink environment of the MatLab software package], Inzhenernyy vestnik Dona [Don's engineering Bulletin], 2014, No. 4. Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2672.
14. Lysenko I.E. Modeling of the micromachined angular rate and linear acceleration sensors LL-type with redirect of drive and sense axis, World Applied Sciences Journal, 2013, Vol. 27 (6), pp. 759-762.
15. Lysenko I.E., Ezhova O.A. Kriterii ravenstva sobstvennykh chastot kolebaniy chuvstvitel'nykh elementov mikromekhanicheskikh giroskopovakselerometrov [Criteria for equality of natural frequencies of vibrations of sensitive elements of micromechanical gyroscopes and accelerom-eters], Inzhenernyy vestnik Dona [Don's engineering Bulletin], 2014, No. 2. Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2475.
16. Lysenko I.E. Modelirovanie dvukhosevogo mikromekhanicheskogo sensora uglovykh skorostey i lineynykh uskoreniy LR-tipa [Modeling of a two-axis micromechanical sensor of angular velocities and linear accelerations of the LR-type], Inzhenernyy vestnik Dona [Don's engineering Bulletin], 2013, No. 1. Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1549.
17. Payal Verma, R. Gopal, Sandeep K. Arya. Behavioral Simulation of a Non-resonant MEMS Gyro-accelerometer, International Journal of Computer & Organization Trends, February 2014, Vol. 5, pp. 23-25.
18. Petko Petkov, Tsonyo Slavov. Stochastic Modeling of MEMS Inertial Sensors, Cybernetics and information technologies, January 2010, Vol. 10, No. 2, pp. 31-40.
19. Mehran Zareh, Sahel Soheili. A modified model reference adaptive control with application to MEMS gyroscope, Journal of Mechanical Science and Technology, June 2011, Vol. 25 (8), pp. 1-7.
20. Ruth Houlihan, Michael Kraft. Modelling squeeze film effects in a MEMS accelerometer with a levitated proof mass, Journal of Micromechanics and Microengineering, March 2005, Vol. 15, pp. 893-902.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. Е.А. Рындин.
Лысенко Игорь Евгеньевич - Южный федеральный университет; e-mail: ielysenko@sfedu.ru; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: +78634371603; кафедра конструирования электронных средств; д.т.н.; доцент; зав. кафедрой.
Севостьянов Дмитрий Юрьевич - e-mail: sevostyanov@sfedu.ru; тел.: +79034053051; кафедра конструирования электронных средств; аспирант.
Кидяев Николай Филиппович - e-mail: nkidyaev@sfedu.ru; тел.: +79054852364; кафедра конструирования электронных средств; аспирант.
Ярцев Артем Викторович - e-mail: artem91light@mail.ru; 347900, г. Таганрог, ул. Петровская, 81; тел.: +79518477069; Научно-технический центр "Техноцентр" ЮФУ; программист.
Lysenko Igor Evgenievich - Southern Federal University; e-mail: ielysenko@sfedu.ru; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371603; the department of electronic apparatuses designl head of department.
Sevostyanov Dmity Yrevich - e-mail: sevostyanov@sfedu.ru; phone: +79034053051; the department of electronic apparatuses design; graduate student.
Kidyaev Nikolay Filippovich - e-mail: nkidyaev@sfedu.ru; phone: +79054852364; the department of electronic design; graduate student.
Yartsev Artyom Viktorovich - e-mail: artem91light@mail.ru; 81, Petrovskaya, Taganrog, 347900, Russia; phone: +79518477069; Scientific and Technical Center "Technocenter" SFU; programmer.
УДК 621.382.3: 621.314 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-15-24
А.С. Синюкин, Б.Г. Коноплев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПАССИВНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ УСТРОЙСТВ*
Беспроводные микроустройства находят широкое применение в технологии радиочастотной идентификации (RFID), беспроводных сенсорных сетях (WSN), интернете вещей (IoT). Особое место среди них занимают пассивные устройства, в которых отсутствует встроенный источник питания (батарея). Пассивные устройства (пассивные RFID-метки, датчики с возможностью приема и передачи данных) дешевле и компактнее своих активных аналогов, срок их службы больше, и они могут применяться в некоторых приложениях, где использование активных меток не всегда возможно, например, в медицинских имплантатах. Однако для работы пассивным устройствам необходимо получать энергию извне, посредством радиочастотного излучения, - от базовой станции (считывающего устройства), либо собирая ее из окружающей среды. Для преобразования этой энергии в напряжение питания интегральной схемы пассивного микроустройства применяются выпрямители и умножители напряжения. Целью работы является исследование влияния на уровень выходного напряжения параметров наноразмерных МОП-транзисторов в диодном включении, выполняющих в преобразователях энергии функции выпрямителей. Сравнение различных конфигураций выпрямителей напряжения, основанных на наноразмерных МОП-транзисторах в диодном включении, проводилось на основе результатов моделирования в среде Tanner EDA. Получены вольтамперные характеристики МОП-транзисторов в диодном включении для КМОП-технологий 90 нм, 65 нм, 45 нм. Исследовано влияние порогового напряжения транзисторов и их размеров (отношения ширины канала к длине) на уровень выходного напряжения однокас-кадного умножителя напряжения для различных технологий, амплитуд входных напряжений и нагрузочных сопротивлений. Показано, что при определенных значениях порогового напряжения наблюдаются максимумы выходного напряжения. При повышении нагрузочного тока оптимальное значение порогового напряжения смещается в область меньших значений. Полученные результаты показывают возможность работы умножителей в подпороговой области транзисторов, что позволяет обеспечить возможность работы при низких входных напряжениях и удовлетворяет условию функционирования пассивных беспроводных микроустройств на значительном удалении от базовой станции, либо в случае получения энергии для питания из окружающей среды. Полученные результаты могут быть полезны при проектировании пассивных беспроводных микроустройств.
RFID; интернет вещей; преобразователи энергии; наноразмерные МОП-транзисторы; подпороговый режим; моделирование переходных процессов.
* Работа выполнена при финансовой поддержке «Программы развития Южного федерального университета до 2021 года» (проект ВнГр-07/2017-10).
