О расчете мембран датчиков давления

В настоящее время широкое распространение в технике получили микроэлектромеханические системы. Важную роль играют микродатчики для измерения значений физических параметров и преобразования их в электрические сигналы. Основным элементом датчиков давления является микроэлектромеханический кремниевый преобразователь, критериями для разработчика при расчете которого являются чувствительность и линейность выходного сигнала. Однако в существующих исследованиях по оптимизации размеров и характеристики кремниевых чувствительных элементов не приводится конкретных рекомендаций разработчику по выбору конструкции мембран и топологии расположения тензорезисторов. В настоящем исследовании проведено сравнение различных конструктивно-технологических решений для кремниевых мембран и даны рекомендации по выбору наилучшего. Решена задача оптимизации датчика. Критериями являлись равенство максимальных деформаций разного знака и минимальная нелинейность зависимости линейных деформаций от давления. Алгоритм реализован в конечноэлементном программном комплексе ANSYS с использованием программы pSeven. Результатом предложенного исследования являются рекомендации разработчику по выбору конструктивнотехнологического решения для мембран и расположения тензорезисторов для наиболее эффективной работы микродатчиков.

Литература

[1] Petersen K.E. Silicon as a mechanical material // Proceedings of the IEEE. 1982. Vol. 70. No. 5. Р. 420-457.

[2] Stefanescu D.M. Handbook of Force Tranducers. Berlin: Springer, 2011. 612 р.

[3] Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.

[4] Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983. 138 с.

[5] Проектирование датчиков для измерения механических величин / под ред. Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. 480 с.

[6] Ушков А.В. Разработка конструктивно-технологических основ производства кремниевых чувствительных элементов давления с повышенной стойкостью к перегрузкам. Дисс. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.

[7] Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.

[8] Yasukawa A., Shimazoe М., Matsuoka J. Simulation of Circular Silicon Pressure Sensors with a Center Boss for very Low Pressure measurement // IEEE Transactions on Electronic Devices. 1989. Vol. 36. No. 7. P. 1295-1302.

[9] Guo S., Guo J., Ко W.H. A monolithically integrated surface micromachined touch mode capacitive pressure sensor // Sensors and Actuators A. 2000. No. 80. P. 224232.

[10] Elgamel A. A simple and efficient technique for the simulation of capacitive pressure transducers // Sensors and Actuators A. 1999. No. 77. P. 183-186.

[11] Белкин А.Е., Гаврюшин С.С. Расчет пластин методом конечных элементов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 232 с.

[12] Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера. М.: Эдиториал УРСС. 272 с.

[13] http://www.datadvance.net/ (дата обращения 05.03.2014).

[14] Гаврюшин С.С., Макмиллан А., Подкопаева А.С. Синтез микроактюатора дискретного действия по заданным функциональным параметрам // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 1. С. 55-60.