За период прошедший с начала XXI века и до настоящего времени, одним из наиболее интенсивно и динамично развивающихся направлений мировой индустрии стала микроэлектромеханическая техника. Ее стремительное развитие в основном основано на разработке и производстве различных миниатюрных датчиков, микродвигателей и преобразователей. Применение новых технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволило значительно уменьшить массо-габаритные характеристики, энергопотребление и стоимость датчиков, что позволило расширить сферу применения микросистемной техники в народном хозяйстве [1].

В настоящее время МЭМС-технологии уже применяются для изготовления различных микросхем. МЭМС-технологии применяются для создания разнообразных миниатюрных актюаторов и датчиков, таких как акселерометры, датчики угловых скоростей, гироскопы, магнитометрические датчики, барометрические датчики, анализаторы среды (например, для оперативного анализа крови), радиоприёмные измерительные преобразователи [2].

Цель работы

Исследование методов определения электрической емкости у емкостных МЭМС акселерометров реализованных на основе аналитического метода, метода конечных элементов (МКЭ) и метода граничных элементов (МГЭ).

Электроемкостные акселерометры

Акселерометры имеют достаточно давнюю историю развития, и наиболее естественной идеей является построение акселерометров на механических принципах. Инерциальная масса смещается под действием ускорения и воздействует на тензодатчик. Такие устройства достаточно объемны, имеют низкую воспроизводимость, плохую устойчивость к ударным воздействиям и малую долговечность, что характерно для чисто механических устройств. Значительно лучшими параметрами обладают пьезоэлектрические датчики ускорения, в которых физическая деформация кристаллической структуры приводит к изменению ее проводимости.

Однако наилучшими характеристиками обладают емкостные полупроводниковые датчики, в которых параллельно движущиеся пластины образуют переменный конденсатор. Преимущества датчиков такого типа, в которых сочетаются достоинства интегральной технологии и емкостного метода измерения [3], приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнение полупроводниковых и емкостных датчиков

Преимущества полупроводниковых датчиков	Преимущества емкостного метода измерения
Низкая стоимость благодаря массовому производству	Высокая линейность
Возможность осуществления дополнительных функций (самотестирование, изменение диапазона измерения)	Высокая чувствительность
Высокая воспроизводимость	Легко осуществимые самокалибровка и самотестирование
Высокая стойкость к ударным воздействиям и перегрузкам	Легкая реализация цепей обратной связи
Функциональная законченность (сенсор и схема обработки на одном кристалле)	Совместимость с КМОП-технологией
Малые габариты	Широкий диапазон рабочих температур

Электроемкостное измерительное преобразование основано на зависимости изменения емкости конденсатора от изменения его геометрических параметров. На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части, емкость меняется - это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Основные элементы акселерометра – тело, пружина и инерционная масса (ИМ). Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела.

Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ. В емкостном сенсоре тело и инерционная масса изолированы друг от друга и их емкость или емкостной заряд изменяются.

Аналитический метод

Без учета краевых эффектов распределение зарядов по пластинам считается равномерным, а электрическое поле между пластинами однородным (Рисунок 1).

Рисунок 2 – поле плоского конденсатора без учета краевых эффектов

В этом случае емкость идеального плоского конденсатора (Рисунок 2) рассчитываются по формуле:

,

где - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между пластинами (в вакууме равна единице),

- электрическая постоянная, численно равная 8,854187⋅10−12 Ф/м,

, - размеры обкладок конденсатора (электродов),

- расстояние между пластинами.

Рисунок 2 – Идеальный плоский конденсатор

Заметим, что поверхностная плотность заряда не является постоянной по всей поверхности пластины, а увеличивается вблизи ее краев (Рисунок 3). Вблизи краев нарушается также предположение об однородности электрического поля, поэтому формула является приближенной.

Рисунок 3 – поле плоского конденсатора с учетом краевых эффектов

Для более точного определения емкостей необходимо учесть, что ёмкость создают не только боковые поверхности гребёнок, но также их торцевые поверхности:

,

где – ёмкость, зависящая от площади перекрытия электродов,

– торцевая ёмкость, создаваемая торцевыми поверхностями электродов.

Для определения емкости с учетом краевых эффектов можно использовать следующую формулу [4]:

,

где относительная диэлектрическая проницаемость,

электрическая постоянная,

- длинна обкладки,

,

- расстояние между обкладками.

Были разработаны примеры гребенчатых структур МЭМС акселерометров и самостоятельно задались их геометрическими параметрами. В первом образце меняется площадь перекрытия гребенок, количество гребенок равно 200 штук (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Гребенчатые структуры с изменением

площади перекрытия обкладок

Во втором образце меняется расстояние между гребенками, количество гребенок равно 100 штук (Рисунок 5).

Рисунок 5 – Гребенчатые структуры с изменением

расстояния между обкладками

На рисунках 6 и 7 представлены графики изменения ёмкости гребенчатых структур в зависимости от площади перекрытия и расстояния между гребёнками соответственно.

Рисунок 6 – Зависимость емкости от изменения площади перекрытия гребенок

Рисунок 7 – Зависимость емкости от изменения расстояния между гребенками.

Из графиков, представленных на рисунках 6 и 7 видно, что при изменении расстояния d, между гребёнками, зависимость является нелинейной, но изменение ёмкости больше по сравнению с гребенчатыми структурами у которых меняется площадь перекрытия (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Сравнение зависимостей емкостей от смещения инерционной массы от точки равновесия

Чувствительность структуры с изменением расстояния между гребенками будет равна

;

Чувствительность структуры с изменением площади перекрытия гребенок будет равна

Выводы

Из приведенных графиков можно сделать вывод, что при сопоставимых габаритах, большая чувствительность будет у гребенчатых структур с изменением расстояния между гребенок.

Список литературы

Концепция по развитию производства МЭМС-изделий в России на период до 2017г [Электронный ресурс]: http://www.microsystems.ru/conf_news.php?id_table=1&file=155.html

Основные разработки компании «Энергетический Поток Менеджмент Ру» [Электронный ресурс]: http://enstream.ru/

Вознесенский А., Шкуратник В. Электроника и измерительная техника: Москва: изд. «горная книга» издательство Московского государственного горного университета, 2008 – с.420

Бурганова С.Я., Барбин Е.С., Коледа А.Н. Электрические схемы емкостных датчиков микромеханического гироскопа // XIХ Международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии» Секция 2: Приборостроение.

Код для цитирования: Скопировать