УДК 621.3.049.77.001.2
РЫНДИН Е.А., ПРИСТУПЧИК Н.К.
ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
РЕГИСТРАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ
Таганрогский государственный радиотехнический университет,
347928, Россия, г.Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44,
e-mail: ryn@fep.tsure.ru
В настоящее время востребованы измерительные системы вы-
сокой точности и чувствительности, способные работать в экстре-
мальных условиях. Предъявляемым характеристикам удовлетворяют
микроэлектромеханические системы (МЭМС), сочетающие вышепере-
численные достоинства с возможностью реализации функционально
законченных приборов в микроминиатюрном исполнении. МЭМС на-
ходят свое применение практически во всех известных областях науки
и техники от экспериментальных исследований в области физики
твердого тела до разработки новейших навигационных систем для
аэрокосмической промышленности. Наибольшее внимание уделяется
исследованиям датчиков первичной информации и актюаторам [1].
Получившую в последнее время широкое распространение в
приборах экстремальной электроники холодную эмиссию электронов
представляется возможным считать разновидностью туннельного эф-
фекта, принимая во внимание тот факт, что она в значительной степе-
ни определяется макроскопическими параметрами (форма электродов,
концентрация вещества между контактными электродами) и в мень-
шей - электронно-энергетической структурой поверхности контакта.
Таким образом, с точки зрения надежности, простоты изготовления и
эксплуатационных характеристик автоэмиссионные приборы пред-
ставляются на данный момент наиболее перспективными.
В большинстве случаев подход к описанию явления переноса
заряда в автоэмиссионных приборах заключается в применении той
или иной модификации формулы Фаулера-Нордхейма, что оправдано в
технических расчетах. С другой стороны, такое решение не претендует
на общность результатов, поскольку содержит элементы эмпирическо-
го описания условий протекания процесса. В этой связи возврат к пер-
вым принципам квантовой теории представляет интерес еще и потому,
что позволяет построить модель процесса переноса носителей заряда в
структурах со сложным энергетическим строением. Плотность тока
автоэмиссии определяется соотношением [2]:



4 kT e m
-

j =

D()

ln1+ e kT , (1,а)
2
h

d
m



-f



= к - f

, (1,б)
где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, e - заряд
электрона, m - масса электрона, h - постоянная Планка, Ef - уровень
Ферми, к - кинетическая энергия электрона.
Таким образом, задача о вычислении плотности тока сводится к
нахождению функции прозрачности потенциального барьера D().
Данная проблема рассматривается в квантовой теории [3].
Представленный в работе метод расчета, главным образом, ос-
новывается на предположении: волновая функция рассеянной частицы
представляет собой плоскую волну. С точки зрения теории рассеяния,
взаимодействие рассматриваемой частицы с рассеивающим центром
изменяет фазу волновой функции, соответствующей состоянию части-
цы. В качестве рассеивающего центра принимается потенциальный
барьер произвольной формы. Постановка задачи в рамках теории рас-
сеяния не требует дополнительного разбиения рассматриваемой об-
ласти и определения условий сшивки на границах подобластей. Коэф-
фициент прохождения частицы может быть определен на основании
волновой функции, являющейся численным решением уравнения:

2

-
+U (x) =
E . (2)
x
2
В настоящей работе сформулированы принципы построения ин-
тегральной микромеханической системы регистрации линейных уско-
рений, которые были использованы при разработке конструкции дан-
ного устройства (рис. 1). Конструкция содержит подложку, подвес,
инерционную массу, четыре подвижных автоэмиссионных катода, че-
тыре неподвижных электрода (аноды), четыре электростатических
преобразователя.
Электростатические преобразователи образованы четырьмя
вспомогательными пластинами и соответствующими вспомогатель-
ными электродами (за счет их взаимного перекрытия). Функции пре-
образователей перемещения выполняют автоэмиссионные контакты,
образованные катодами и соответствующими анодами. Подвижные
автоэмиссионные катоды соединены между собой и закреплены на
нижней части инерционной массы. Области изолирующего диэлектри-
ка исключают возможность протекания токов между подвижными,
неподвижными и вспомогательными электродами по поверхности
подложки. Подвижные электроды расположены на инерционной массе
так, что между инерционной массой, упругими балками подвеса, под-
вижными электродами и подложкой имеются воздушные зазоры, обес-
печивающие возможность перемещения инерционной массы вдоль оси

Z, проходящей через геометрический центр прибора и перпендикуляр-
ной плоскости подложки.

Рис.1. Конструкция интегральной микромеханической системы реги-
страции линейных ускорений
Механические свойства конструкции исследованы посредством
системы конечно-элементного анализа ANSYS. Получены результаты,
свидетельствующие о правомерности применения разработанной мик-
росистемы в качестве акселерометра на частотах до 200 Гц.

1. Мокров Е.А., Папко А.А. Акселерометры НИИ физических измере-
ний - элементы микросистемотехники // Микросистемная техника.
2002. 1. С. 3-9.
2. Валиев К.А., Раков А.В. Физические основы субмикронной лито-
графии в микроэлектронике. - М.: Радио и связь, 1984. - 352 с.
3. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики, учеб. пособие, изда-
ние пятое, переработанное и дополненное. - М.: Главная редакция
физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1976. - 648 с.


Document Outline