CC BY
14МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА MICRO- AND NANOSYSTEM TECHNOLOGY
Научная статья УДК 681.586
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-4-452-460 EDN: LWHTER
Моделирование и оптимизация емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа
Пайн Со Хту, В. В. Калугин, Е. С. Кочурина
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
kochurinaes@gmail.com
Аннотация. Емкостные МЭМС-датчики ускорения измеряют ускорение в широком диапазоне и характеризуются сравнительно простой конструкцией, значительной стабильностью, низким уровнем энергопотребления, высокой чувствительностью по осям X, Y и Z. В работе представлены результаты процессов моделирования и оптимизации чувствительного элемента емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа. Исследованы деформация, резонансные частоты и изменения емкости чувствительного элемента МЭМС-датчика с толщиной кремниевой пластины 30 мкм с использованием программного обеспечения Ansys и Ansys Maxwell на основе метода конечных элементов. Изучена деформация чувствительного элемента по осям X и Y, которая играет важную роль для измерения емкости конструкции МЭМС-датчика при воздействии ускорения в диапазоне 100-500 g. В результате моделирования МЭМС-датчика с различным количеством гребенок получены изменения емкости между гребенками. Установлено, что конструкция емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа с 20 парами электродов оптимальна по чувствительности и массогабаритным параметрам.
Ключевые слова: МЭМС-датчик ускорения гребенчатого типа, изменение емкости, чувствительный элемент, линейное ускорение
Для цитирования: Пайн Со Хту, Калугин В. В., Кочурина Е. С. Моделирование и оптимизация емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 4. С. 452-460. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-4-452-460. - EDN: LWHTER.
© Пайн Со Хту, В. В. Калугин, Е. С. Кочурина, 2023
Original article
Modeling and optimization of MEMS comb type capacitive acceleration sensor
Paing Soe Thu, V. V. Kalugin, E. S. Kochurina
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia kochurinaes@gmail.com
Abstract. The MEMS capacitive acceleration sensors measure acceleration in wide frequency range and are characteristic of simple construction, considerable stability, low energy consumption and high X-, Y-, and Z-direction sensitivity. In this work, the results of modeling and optimization of the sensing element of a MEMS comb type capacitive acceleration sensor are presented. The deformation, resonant frequencies, and capacitance changes in MEMS comb type capacitive acceleration sensor with 30 цт silicon wafer are examined using the Ansys and Ansys Maxwell simulation software based on the finite element method. The sensing element deformation along the X and Y axes was studied, as it plays a critical role in measuring the capacitance of the structure of MEMS comb type acceleration sensor on exposure to accelerations in the range 100-500 g. As a result of modeling a MEMS sensor with a different number of combs, changes in the capacitance between the combs were obtained. It has been established that the design of MEMS comb type capacitive acceleration sensor with 20 pairs of electrodes is optimal in terms of sensitivity, weight and size parameters.
Keywords: MEMS comb type acceleration sensor, capacitance changes, sensitive element, linear acceleration
For citation: Paing Soe Thu, Kalugin V. V., Kochurina E. S. Modeling and optimization of MEMS comb type capacitive acceleration sensor. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 4, pp. 452-460. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-4-452-460. -EDN: LWHTER.
Введение. МЭМС объединяют электронные и механические компоненты в единую конструкцию устройства с геометрическими размерами от микрометров до миллиметров. МЭМС-приборы изготавливаются методами групповой обработки в основном с применением стандартных микроэлектронных процессов. Емкостные МЭМС-датчики ускорения измеряют ускорение в широком диапазоне, характеризуются значительной стабильностью, сравнительно простой конструкцией, малыми габаритами и весом, низким уровнем энергопотребления, высокой чувствительностью по осям X, Y и Z, низкой стоимостью в серийном производстве. Благодаря перечисленным свойствам емкостные МЭМС-датчики ускорения представляют интерес для разработчиков и потребителей изделий на основе МЭМС [1-3].
Цель настоящей работы - исследование деформации по осям X и Y при воздействии ускорения на конструкцию чувствительного элемента (ЧЭ) емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа, резонансных частот и изменения емкости между гребенками с применением программ Ansys и Ansys Maxwell на основе метода конечных элементов.
Статор
L
X
Гребенки
Торсион
Подвижная масса
Конструкция чувствительного элемента. ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа выполнен из кремния и состоит из подвижной массы с гребенками, статора с гребенками, которые соединены торсионами (рис. 1). Электроды гребенок соединены с подвижной массой и смещаются в зависимости от ее положения, меняя емкость относительно неподвижных электродов гребенок.
Емкостные МЭМС-датчики ускорения определяют изменение емкости между зазорами электродов, когда подвижная масса перемещается из исходного положения под действием внешней силы или внешнего ускорения. Ускорение может быть вызвано гравитацией или внешними факторами (движением, вибрацией и т. д.) [4]. При приложении ускорения вдоль оси чувствительности ЧЭ смещается, при этом смещаются также гребенки емкостной системы съема сигнала, значения емкостей при этом изменяются. Смещение гребенки электродов можно измерить по изменению емкости C между гребенками и неподвижными электродами, которая определяется выражением
А
\
Статор
Рис. 1. Конструкция ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения гребенчатого типа
Fig. 1. The design of the sensitive element of comb-type capacitive acceleration MEMS sensor
С = ■
d
где во - относительная диэлектрическая проницаемость вакуума; в, - относительная диэлектрическая проницаемость материала; А - площадь перекрытия гребенок; ё - расстояние между гребенками [5].
Схематичное изображение элементов емкостного МЭМС-датчика ускорения с одной гребенкой показано на рис. 2. Толщина кремниевых элементов подвижной массы и гребенок 30 мкм.
Рис. 2. Схематичное изображение элемента емкостного МЭМС-датчика ускорения с одной гребенкой Fig. 2. Schematic diagram of capacitive acceleration MEMS sensor with single comb-drive element
Для исследования на основе анализа доступных для реализации изделия технологических процессов выбраны следующие размеры структуры ЧЭ емкостного датчика
ускорения:
Подвижная масса.......................................600 х 400 х 30 мкм
Длина торсиона.............................................................350 мкм
Ширина торсиона...........................................................60 мкм
Толщина торсиона..........................................................30 мкм
Гребенка...........................................................50 х 5 х 30 мкм
Зазор между подвижными электродами.......................10 мкм
Моделирование деформации чувствительного элемента. При появлении линейного ускорения происходит деформация торсионов ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения. Изменение деформации по осям X и Y позволяет рассчитать изменение геометрии торсиона при воздействии линейного ускорения и определить чувствительность МЭМС-датчика. Моделирование деформации ЧЭ проводили при воздействии линейных ускорений в диапазоне 100-500 g по измерительным осям Xи Y. Изменение деформации ЧЭ показано на рис. 3. Максимальные и минимальные результаты деформации предлагаемой конструкции ЧЭ по осям X и Y в результате многократного воздействия ускорений приведены на рис. 4. Конструкция МЭМС-датчика разработана таким образом, чтобы ЧЭ максимально смещался при воздействии ускорения вдоль оси чувствительности. Из рис. 3 и 4 видно, что при воздействии ускорения 500 g смещение по оси Y больше, чем по оси Х, т. е. влияние воздействий по перекрестным осям меньше.
175,00 525,00
а
Рис. 3. Деформация ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения при ускорении 500 g по оси X (а) Fig. 3. Deformation of the sensitive element of capacitive acceleration MEMS sensor under the acceleration range of 500 g along the axis X (a)
Рис. 3. Деформация ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения при ускорении 500 g по оси Y (б) Fig. 3. Deformation of the sensitive element of capacitive acceleration MEMS sensor under the acceleration range of 500 g along the axis Y (b)
0,0030
„ 0,0025
0,0020
0,0015
0,0010
0,0005
2,5293-10"3
2,0235-103
1,5176-10'3
1,0117-10°
5,0587-Ю-4
0/iO«57 , 1,2411- 10-i 1,8617- ,0-4 2,48: HO"4 3.IC 29 10 4
100 200 300 400 Линейное ускорение, g
500
600
Рис. 4. Изменение деформации торсиона в результате воздействия линейных ускорений по осям X (-♦-) и Y (-■-) Fig. 4. Deformation changes of torsion as a result of the influence of linear accelerations along the axes X (-♦-) and Y (-■-)
Анализ частотных колебаний чувствительного элемента. Для определения ускорения ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения находится в рабочем режиме определенной частоты колебаний. Частота, на которой система имеет тенденцию колебаться в отсутствие какой-либо движущей силы, называется собственной. Изменение собственной частоты зависит от толщины ЧЭ датчика. Измеряемое ускорение зависит от толщины торсиона и деформации центра подвижной массы, причем наибольшее влияние оказывает изменение толщины торсиона.
Результаты модального анализа частотных колебаний ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения Modal analysis results of frequency vibration of sensitive element of the capacitive MEMS acceleration sensor
Рабочий режим
Форма колебаний резонатора
Частота колебаний ЧЭ, Гц
Мода 1
90 775
Мода 2
111 270
Мода 3
127 390
Мода 4
267 540
Мода 5
382 930
Мода 6
496 530
Собственные частоты колебаний ЧЭ определим с использованием САПР для решения задач механики деформируемого твердого тела и механики конструкций. Модальный анализ позволяет определить собственные и другие частоты. Паразитные сигналы имеют более высокие резонансные частоты, поэтому практически не влияют на общую деформацию подвеса ЧЭ, а их вклад в движение ЧЭ минимален. Высокие значения резонансных частот гарантируют отсутствие резонансных эффектов при типичных внешних воздействиях. С уменьшением собственной частоты уменьшается полоса пропускания датчика. Результаты модального анализа частотных колебаний ЧЭ емкостного МЭМС-датчика ускорения приведены в таблице. Минимальное значение частоты колебаний составляет 90 775 Гц, что позволяет исключить возникновение резонанса ЧЭ при внешних воздействиях.
Моделирование изменения емкости между гребенками. Емкость между парой гребенчатых электродов создается вертикальными поверхностями гребенок в области перекрытия. Таким образом, суммарная емкость - это комбинация емкостей, вносимых соседними гребенками.
Изменение емкости одной гребенки ЧЭ емкостного МЭМС-датчика моделировали с использованием программного обеспечения Ansys Maxwell. Электрическое напряжение подавали на U-образную гребенку, заземление - на Т-образную гребенку. Результаты моделирования приведены на рис. 5. Суммарные изменения емкости в зависимости от количества гребенок (от 1 до 20) по оси Y показаны на рис. 6.
0,40
0,36
©
0,32
0,28
0,24.
0,20
34,89- lO"2
31,94-КГ2 32,58-10^*1 33,68-10"2
26,56-10"2 . 27,95-10~2 , 28,43 loVjl 30,98-10"2 31,57-10"2
z5.13-10~2 27,91-I0'2
У 23,69-10"2
100
200
300
400
500
600
Линейное ускорение g Рис. 5. Изменение емкости между гребенками в результате воздействий линейных ускорений по осям X (-♦-) и Y (-■-) Fig. 5. The change in the capacity between the combs as a result of the effects of linear accelerations along the axes X (-♦-) and Y (-■-)
5 10 15
Количество гребенок
Рис. 6. Изменение емкости между гребенками при ускорении
500 g в зависимости от количества гребенок
Fig. 6. Capacity change between combs at 500 g acceleration
depending on the number of combs
Заключение. При моделировании с помощью специализированного программного обеспечения воздействия на ЧЭ ускорений в диапазоне 100-500 g получены значения изменения емкости между гребенками 3,489 • 10-11 и 6,978 • 10-10 Ф с количеством гребенок от 1 до 20. Результаты исследования позволили выявить необходимое количество гребенок для максимальной чувствительности МЭМС-датчика. С помощью модального анализа установлено, что паразитные колебания имеют высокие резонансные частоты и поэтому практически не влияют на суммарную деформацию подвеса ЧЭ, а их вклад в движение ЧЭ минимален.
Литература
1. Research and development of the deep plasma-chemical silicon etching process for the creation of a silicon element with a vertical profile / V. V. Kalugin, E. S. Kochurina, N. M. Zariankin et al. // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE, 2020. P. 2144-2148. https://doi.org/10.1109/EIConRus49466.2020.9038991
2. Проектирование и изготовление чувствительного элемента МЭМС-акселерометра / С. П. Тимошенков, С. А. Анчутин, Н. М. Зарянкин и др. // Нано- и микросистемная техника. 2021. Т. 23. № 2. С. 63-67. https://doi.org/10.17587/nmst.23.63-67
3. Mansoorzare H., Todi A., Moradian S., Abdolvand R. A piezo-capacitive high-frequency resonant ac-celerometer // 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Las Vegas: IEEE, 2020. P. 1 -4. https://doi.org/10.1109/IUS46767.2020.9251353
4. Design and simulation of MEMS differential capacitive accelerometer / S. Sinha, S. Shakya, R. Mukhiya et al. // 7th ISSS International Conference on Smart Materials, Structures and Systems (ISSS-2014). Bangalore: ISSS, 2014. P. 1-8. https://doi.org/10.13140/2.1.1074.8809
5. Hanasi P., Sheeparamatti B. G., Abbigeri V., Meti N. Study of capacitance in electrostatic comb-drive actuators // Proceedings of the 2015 COMSOL Conference [Электронный ресурс]. URL: https://www.comsol.com/paper/study-of-capacitance-in-electrostatic-comb-drive-actuators-27091 (дата обращения: 22.05.2023).
Статья поступила в редакцию 30.01.2023 г.; одобрена после рецензирования 29.03.2023 г.;
принята к публикации 31.05.2023 г.
Информация об авторах
Пайн Со Хту - аспирант Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), paingsthu7@gmail.com
Калугин Виктор Владимирович - доктор технических наук, доцент Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), viktor118@mail.ru
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), kochurinaes@gmail.com
References
1. Kalugin V. V., Kochurina E. S., Zariankin M. N., Anchutin A. S., Nyan Linn Phyo. Research and development of the deep plasma-chemical silicon etching process for the creation of a silicon element with a vertical profile. 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg, Moscow, IEEE, 2020, pp. 2144-2148. https://doi.org/10.1109/ EIConRus49466.2020.9038991
2. Timoshenkov S. P., Anchutin S. A., Zarjankin N. M., Kalugin V. V., Kochurina E. S., Timoshenkov A. S., Boev L. R. Research and development of MEMS accelerometer's sensor. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano- amd Microsystems Technology, 2021, vol. 23, no. 2, pp. 63-67. (In Russian). https://doi.org/10.17587/ nmst.23.63-67
3. Mansoorzare H., Todi A., Moradian S., Abdolvand R. A piezo-capacitive high-frequency resonant accel-erometer. 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Las Vegas, IEEE, 2020, pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/IUS46767.2020.9251353
4. Sinha S., Shakya S., Mukhiya R., Gopal R., Pant B. Design and simulation of MEMS differential capacitive accelerometer. 7th ISSS International Conference on Smart Materials, Structures and Systems (ISSS-2014). Bangalore, ISSS, 2014, pp. 1-8. https://doi.org/10.13140/2.1.1074.8809
5. Hanasi P., Sheeparamatti B. G., Abbigeri V., Meti N. Study of capacitance in electrostatic comb-drive actuators. Proceedings of the 2015 COMSOL Conference. Available at: https://www.comsol.com/paper/study-of-capacitance-in-electrostatic-comb-drive-actuators-27091 (accessed: 22.05.2023).
The article was submitted 30.01.2023; approved after reviewing 29.03.2023;
accepted for publication 31.05.2023.
Information about the authors
Paing Soe Thu - PhD student of the Institute of Nano- and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), paingsthu7@gmail.com
Viktor V. Kalugin - 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), viktor118@mail.ru
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), kochurinaes@gmail.com
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «Урал-Пресс Округ»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru
