ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РАЗМЕРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА КРЕМНИЕВОГО РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ

Кудрявцева Дарья Александровна, аспирант, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10), dashuliy2308@yandex.ru

51-74:621, 681.5

DOI

10.21685/2307-5538-2017-3-11

Актуальность и цели. К современным измерительным устройствам предъявляются требования по повышению помехоустойчивости и снижению массогабаритных показателей. Повышению помехоустойчивости способствует использование преобразователей с частотным выходным сигналом. Снижению массы и габаритных размеропреобразователя способствует использование МЭМС-технологии для изготовления чувствительного элемента (ЧЭ) в интегральном исполнении. Рассматривается первичный измерительный преобразователь давления в изменение частоты колебаний ЧЭ струнного типа. Объектом исследования является конструкция ЧЭ кремниевого резонансного преобразователя давления. Предметом исследования является зависимость частоты колебаний ЧЭ в виде кремниевой струны от ее геометрических параметров. Цель работы – исследование влияния конструктивных размеров на изменение собственной частоты чувствительного элемента кремниевого резонансного преобразователя давления.
Материалы и методы. Приведены и обоснованы преимущества изготовления кремниевой струны интегральным способом из монокристаллического кремния. С помощью аналитических расчетов и численных методов построена и проанализирована зависимость резонансной частоты колебаний от геометрических параметров струны.
Результаты. Проведенные расчеты и анализ результатов показали, что для приведенных в статье соотношений размеров струны численное моделирование на основе метода конечных элементов дает удовлетворительные результаты для собственных частот колебаний однородной балки. Однако для малых размеров поперечного сечения струны наблюдались отклонения от линейного закона, что свидетельствует о необходимости учета особенностей построения конечноэлементной сетки для моделирования струн таких пропорций. Выводы. Для вычислений и инженерного анализа конструктива упругого элемента систем с микроминиатюрными струнами рекомендуется использовать топологию сетки конечных элементов в виде параллелепипедов либо балочного типа. При моделировании воздействия динамики струны на полупроводниковую структуру, располагающуюся на поверхности или непосредственно в массиве струны, необходимо тщательно подбирать топологию сетки конечных элементов. В качестве первичной верификации результатов численного моделирования можно использовать совпадения результатов моделирования с результатами расчетов по приведенным в статье аналитическим выражениям.

Ключевые слова

резонансный преобразователь давления, кремниевая струна, резонансная частота, МЭМС-технологии

 Скачать статью в формате PDF

1. Кучумов, Е. В. Струнный автогенераторный измерительный преобразователь на основе пьезоструктуры / Е. В. Кучумов, И. Н. Баринов, В. С. Волков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 2 (8). – С. 58–65.
2. Кудрявцева, Д. А. Исследование влияния температуры на выходной сигнал кремниевого резонансного преобразователя давления / Д. А. Кудрявцева, Б. В. Цыпин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2016. – № 3 (17). – С. 42−51.
3. Милохин, Н. Т. Частотные датчики систем автоконтроля и управления / Н. Т. Милохин // Библиотека по автоматике. – 2013. – № 310. – С. 131–138.
4. Карцев, Е. А. Датчики неэлектрических величин на основе унифицированного микромеханического резонатора / Е. А. Карцев // Приборы и системы управления. – 1966. –№ 4. – С. 136–141.
5. Тимошенко, С. П. Сопротивления материалов / С. П. Тимошенко. – М. : Наука, 1979. –135 с.
6. Баринов, И. Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления / И. Н. Баринов // Приборы. – 2009. – № 4. С. 47–51.
7. Волков, В. С. Компенсация температурной погрешности чувствительности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления / В. С. Волков, И. Н. Баринов /Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2013. – № 1 (3). – С. 30–36.
8. Баринов, И. Н. Высокотемпературные чувствительные элементы датчиков давления со структурой «кремний на диэлектрике» / И. Н. Баринов // Датчики и системы. – 2007. – № 1. – С. 36–39.
9. Эткин, Л. Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика / Л. Г. Эткин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. – 408 с.
10. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками / П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. – Л. : Энергия, 1970. – 424 с.