Автореферат (Маршрут автоматизации системного проектирования микрооптоэлектромеханических систем), страница 3

На рисунках 5, б и в приведены конечно-элементные моделиподвижной массы МОЭМ акселерометров с одиночной подвижной массой доприменения разработанного программного модуля (рис. 5б) и послеприменения разработанного программного модуля (рис. 5в).11абвРисунок 5 – Геометрическая модели подвижной массы механическихподсистем МОЭМ акселерометров с одиночной подвижной массой (а) иконечно-элементные модели МОЭМ до (б) и после примененияразработанного программного модуля адаптации конечно-элементноймодели (в)В таблице 1 приведены результаты экспериментальных исследованийвременных характеристик предложенного алгоритма на примеремоделирования механической подсистемы МОЭМ акселерометра на основеинтерферометра Фабри-Перо (рис. 3), а также проведено сравнение сисходным алгоритмом на различных вычислительных системах.

Анализ табл.1 позволяет сделать вывод, что для всех рассмотренных случаев времяпостроения конечной модели с использованием предложенного алгоритмаменьше времени построения конечно-элементной модели с использованиемисходного алгоритма в среднем на 51, 4% для конфигурации Win7/8GbDDR3/ Intel i7 и на 66% для конфигурации WinXP/1Gb DDR2/Core2Duo.Таблица 1 – Количество элементов и узлов конечно-элементной моделиИсходный алгоритмКолво элтовКол-воузлов425261617865125682469366987764810821138132207443370117654Времяпостроениясетки КЭ1, с0.0360.0510.0750.1520.5241.34Времяпостроениясетки КЭ2, с0.931.472.093.476.7918.62Предложенный алгоритмВремяпостроениясетки КЭ1, с0.0290.0410.0590.1170.3930.97Времяпостроениясетки КЭ2, c0.761.191.652.675.0913.591-Конфигурация системы Win7/8Gb DDR3/ Intel i7-Конфигурация системы WinXP/1Gb DDR2/Core2Duo2Одним из важнейших факторов, влияющих на выходныехарактеристики МОЭМ системы, является точность изготовления подвижноймассы.

На этапах травления подложки для получения необходимойконфигурации слоя возможно возникновение различных дефектов. В работе сиспользованием предложенных подходов выполнено моделированиемеханической подсистемы и МОЭМ устройства с учетом технологическихдефектов.12абвРис. 6 – Влияние технологических погрешностей длины (а), ширины (б) итолщины (в) на собственные частоты механической подсистемы МОЭМакселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо при различных длинахподвижной массыНа рисунке 6 приведены результаты экспериментальных исследованийвлияния технологических погрешностей длины (рис.

6а), ширины (рис. 6б) итолщины (рис. 6в) на собственные частоты механической подсистемыМОЭМ акселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо для различныхдлин подвижной части от 120 мкм до 300 мкм.На рис. 7 представлены результаты экспериментальных исследованийвлияния технологических погрешностей длины (а), ширины (б) и толщины(в) на время отклика МОЭМ акселерометра на основе интерферометраФабри-Перо, полученные с применением разработанных моделей на языкеVHDL-AMS.Рисунок 7 – Влияние технологической погрешности длины (а), ширины (б) итолщины (в) на время отклика МОЭМ акселерометра на основеинтерферометра Фабри-ПероНа основе результатов исследования, были сформулированы следующиеэвристические приемы, которые могут быть использованы дляконцептуального проектирования МОЭМ систем:1.

С увеличением длины подвижной массы механической подсистемы13происходит уменьшение собственных частот.2. Технологический дрейф ширины и толщины подвижной массыоказывают влияние на собственные частоты механической подсистемы, всреднем около 8,5%.3. С увеличением длины подвижной массы до 350 мкм время откликасистемы в среднем увеличивается линейно, затем наблюдается режимнасыщения.4. При длине свыше 350 мкм технологический дрейф ширины итолщины подвижной массы механической подсистемы приводит кувеличению времени отклика всей системы.Проведенныеэкспериментальныеисследованиявлияниятехнологического дрейфа параметров механической подсистемы МОЭМакселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо на собственныечастоты механической подсистемы и на время отклика всей системы в целом,а так же проведенные экспериментальные исследования изменения временипостроения конечно-элементной модели с применением разработанногомодуля для программного комплекса ANSYS на двух вычислительныхсистемах с различными характеристиками показали существенное снижениевремени, затрачиваемого на этапе проектирования на механическуюподсистему и исследование влияния технологических дефектов на выходныехарактеристики устройства в целом.В четвертой главе разработанные алгоритмы и программные модулиприменены для исследования влияния технологических погрешностей припроектировании распределенных МОЭМ систем.На рисунке 8а приведена геометрическая модель механическойподсистемыраспределенногоМОЭМакселерометранаосновеинтерферометра Фабри-Перо.

На рисунках 8, б и в приведены конечноэлементные модели механической подсистемы распределенного МОЭМакселерометра до применения разработанного программного модуля (рис. 8б)и после применения разработанного программного модуля (рис. 8в).В работе с использованием предложенных подходов выполненомоделирование механической подсистемы и распределенного МОЭМакселерометра с учетом технологических дефектов.На рисунках 9, 10 приведены результаты экспериментальныхисследований распределенного МОЭМ акселерометра на основеинтерферометраФабри-Перо.Показановлияниетехнологическойпогрешности на собственные частоты механической подсистемы (рис. 9) ивремя отклика всей системы в целом (рис.

10).Установлены зависимости выходных характеристик разрабатываемогоустройства от технологических дефектов механической подсистемы припомощиразработанногомаршрутаавтоматизациисистемногопроектирования микрооптоэлектромеханических систем на примере МОЭМакселерометра на основе интерферометра Фабри-Перо.14абвРисунок 8 – Геометрическая модель механической подсистемыраспределенного МОЭМ акселерометра (а) и конечно-элементные модели до(б) и после применения разработанного программного модуля адаптацииконечно-элементной модели (в)Рисунок 9 –Влияние технологического разброса длины (а), ширины (б) итолщины (в) подвижной массы при различных длинах подвижной массы дляпервой подвижной массы распределенного МОЭМ акселерометра насобственные частотыРисунок 10 – Изменение времени отклика распределенного МОЭМакселерометра при изменении технологического разброса длины(а),ширины(б) и толщины(в) подвижной массы для первой подвижной массыраспределенного МОЭМ акселерометраНа основе результатов исследования, были сформулированы следующиеэвристические приемы, которые могут быть использованы дляконцептуального проектирования МОЭМ систем:1.

С увеличением длины подвижной массы механической подсистемыпроисходит уменьшение собственных частот.152. Технологический дрейф длины и ширины подвижной массыоказывают влияние на собственные частоты механической подсистемы.3. С увеличением длины подвижной массы время отклика системы всреднем увеличивается.В разделе «выводы и заключение» представлены основныерезультаты работы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Разработан маршрут автоматизации системного проектированиямикрооптоэлектромеханическихсистемнаосноверазработанныхалгоритмов.2. Разработан алгоритм адаптации конечно-элементной модели моделимеханической подсистемы с размерами менее 500 мкм, позволяющийсократить время на получение структуры МОЭМС.3.

Разработана математическая модель оптической подсистемы наоснове матричного подхода и программный модуль, реализующий этотподход.4. Разработана модуль сопряжения программного комплекса ANSYS ипрограммного комплекса Matlab на основе использования языкаформального описания VHDL-AMS.5.Проведеноматематическоемоделированиемеханическойподсистемы МОЭМ акселерометра и установлена зависимость выходныххарактеристик устройства от технологических дефектов механическойподсистемы.6. Сформулированы эвристические приемы, позволяющие учестьвлияние точности воспроизведения механической подсистемы насобственные частоты механической подсистемы и на время отклика всейсистемы при проектировании МОЭМ систем, которые могут бытьиспользованы при концептуальном проектировании МОЭМ систем.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ ВСЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:1. Шахнов В.А., Зинченко Л.А., Косолапов И.А. Особенностимногомасштабного моделирования микрооптоэлектромеханических систем сучетом технологических погрешностей// Датчики и системы.

№9. 2013. С.2934.2. ЗинченкоЛ.А.,КосолаповИ.А.Методымоделированиямикрооптоэлектромеханических подсистем// Наука и образование:электронное научно-техническое издание «Наука и образование». №11, 2011г.3. Кальнов В.А., Косолапов И.А. Методы повышения выхода годных припроизводствемикромеханическихинерциальныхдатчиков//«Наноинженерия»: №2.

2011. С.23-26.4. Косолапов И.А. Моделирование микроакселерометра на основеинтерферометра Фабри-Перо в САПР ANSYS// НАНОИНЖЕНЕРИЯ-2009:Сборник трудов второй Всероссийской Школы-семинара студентов,16аспирантов и молодых ученых по направлению «НАНОИНЖЕНЕРИЯ».Калуга, 2009. С.108-111.5. Косолапов И.А., Кишиневский А.Г., Паршина А.А., Многомасштабноемоделирование на основе иерархического подхода на примеремикрооптоэлектромеханического акселерометра на основе интерферометраФабри-Перо// НАНОИНЖЕНЕРИЯ-2010: Сборник трудов третьейВсероссийской Школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученыхпо направлению «НАНОИНЖЕНЕРИЯ». Калуга, 2010.