ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГОЙ МЕМБРАНЫ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ «КРЕМНИЙ НА САПФИРЕ»
Аннотация
Высокая точность и повышенные эксплуатационные характеристики датчиков давления необходимы для обеспечения безопасности, качества и эффективности в различных отраслях промышленности и техники. Применение метода конечных элементов (МКЭ) при проектировании датчиков давления позволяет улучшить их точность за счёт более глубокого анализа механических и физических процессов, возникающих при воздействии нагрузки от давления. Целью данной работы является построение цифровой трёхмерной модели чувствительного элемента (ЧЭ) датчика давления и анализ напряжённо-деформированного состояния упругой мембраны под действием нагрузки от давления от 0 до 15 МПа. Основные задачи работы: исследование свойств и параметров материалов, применяющихся в составе чувствительного элемента датчика давления на основе структуры «кремний на сапфире»; получение значений максимального эквивалентного напряжения, возникающего в конструкции упругой мембраны ЧЭ при воздействии нагрузки от давления 125% от номинального значения; распределение радиальных и тангенциальных деформаций упругой мембраны и определение наилучшего расположения тензорезисторов на поверхности ЧЭ датчика давления. В результате исследования установлено, что используемые материалы обладают хорошей стойкостью к воздействию агрессивной среды, а также возможностью работы в широком диапазоне температур и при воздействии высоких нагрузок от давления. По результатам моделирования определено значение максимального эквивалентного напряжения, величина напряжения не превышает предел прочности чувствительной мембраны, получено распределение радиальных и тангенциальных деформаций на поверхности ЧЭ, что даёт возможность получить оптимизированный рисунок тензорезисторной мостовой схемы
Список литературы
1. Basov K.A. ANSYS i LMS Virtual Lab. Geometricheskoe modelirovanie [ANSYS and LMS Virtual Lab. Geometric modeling]. Moscow: DMK Press, 2006, 240 p. ISBN 5-94074-301-3.
2. Kozhanov D.A., Likhacheva S.Yu. Konechno-elementnoe modelirovanie v inzhenernykh raschetakh mekhaniki deformiruemogo tverdogo tela: ucheb. posobie [Finite element modeling in engineering calcu-lations of solid mechanics: textbook]. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy gosudarstven
nyy arkhitekturno-stroitel'nyy universitet, 2024, 51 p. ISBN 978-5-528-00562-1.
3. Antonets I.V., Borisov R.A., Nigmatullina L.A., Borisova D.R. Opredelenie uprugikh kharakteristik pervichnogo preobrazovatelya datchika davleniya v sisteme vozdushnykh signalov [Determination of elastic characteristics of the primary transducer of the pressure sensor in the air signal system], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroenie [News of Higher Educational Institutions. Instrument-making], 2025, Vol. 68, No. 7, pp. 590-599. DOI 10.17586/0021-3454-2025-68-7-590-599.
4. Bogush M.V. Proektirovanie p'ezoelektricheskikh datchikov s ispol'zovaniem konechno-elementnykh matematicheskikh modeley [Design of piezoelectric sensors using finite element mathematical models], Pribory [Devices], 2007, No. 12 (90), pp. 30-38.
5. Loginova L.V., Trofimov A.A., Pecherskaya E.A., Rybakov I.M., Severtsev N.A. Modelirovanie vysoko-temperaturnykh datchikov davleniya na baze tekhnologicheskikh struktur «polikremniy – dielektrik» [Modeling of high-temperature pressure sensors based on “polysilicon – dielectric” technological struc-tures], Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system [Reliability and quality of complex systems], 2024, No. (48), pp. 85-95. DOI 10.21685/2307-4205-2024-4-9.
6. Teplova T.B., Samerkhanova A.S. Tendentsiya razvitiya primeneniya tverdykh vysokoprochnykh materi-alov v mikroelektronike, meditsine i yuvelirnykh izdeliyakh [Development trends in the application of hard high-strength materials in microelectronics, medicine, and jewelry], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Mining Information and Analytical Bulletin], 2006, No. 10, pp. 339-347.
7. Malyukov S.P., Mishnev V.D. Tekhnologiya izgotovleniya chuvstvitel'nykh elementov datchikov davleniya na osnove spaya «sapfir – steklovidnyy dielektrik – keramika» [Manufacturing technology of sensitive elements of pressure sensors based on the "sapphire - vitreous dielectric - ceramics" seam], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2023, No. 2, pp. 111-119.
8. Malyukov S.P., Mishnev V.D. Tekhnologiya izgotovleniya chuvstvitel'nnogo elementa datchika davleniya na osnove struktury «kremniy na sapfire» s ispol'zovaniem metoda vysokochastotnogo magnetronnogo raspyleniya [Manufacturing technology of a sensitive element of a pressure sensor based on the silicon-on-sapphire structure using the high-frequency magnetron sputtering method], Sovremennye infor-matsionnye tekhnologii: tendentsii i perspektivy razvitiya: Mater. XXX nauchnoy konferentsii (YUzhnyy federal'nyy universitet, Rostov-na-Donu, 13–15 aprelya 2023 g.) [Modern information technologies: trends and development prospects: Proceedings of the XXX scientific confere9. Sun M., Valdueza-Felip S., Naranjo F.B. Amorphous Silicon Films and Nanocolumns Deposited on Sapphire and GaN by DC Sputtering, Physica status solidi (b), 2023, pp. 1-7.
10. Cai Sikang & Wang Guicong & Li Ying-Jun & Yang Xiaoqi. Research on material selection of force-sensitive element for high-frequency dynamic piezoelectric pressure sensor, MATEC Web of Confer-ences, 2022, pp. 1-7.
11. Skvortsov P.A. Razrabotka metodiki rascheta i proektirovaniya uprugogo elementa tenzodatchika na strukture “kremniy na sapfire”: spetsial'nost' 01.02.06 "Dinamika, prochnost' mashin, priborov i appa-ratury": diss. … kand. tekhn. nauk [Development of a calculation and design methodology for an elastic element of a strain gauge based on a silicon-on-sapphire structure: specialty 01.02.06 "Dynamics and strength of machines, devices, and equipment": cand. of eng. sc. diss.], 2019, 153 p.
12. Saenko A.V., Bondarchuk D.A. Razrabotka konstruktsii datchika davleniya na osnove struktury sapfir-steklovidnyy dielektrik-keramika [Development of a pressure sensor design based on a sapphire-glassy dielectric-ceramic structure], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sci-ences], 2018, No. 7 (201), pp. 24-32.
13. Klunnikova Yu.V., Bondarchuk D.A. Formirovanie spaya steklovidnogo dielektrika i sapfira dlya ele-mentov mikroelektroniki [Formation of a junction between a vitreous dielectric and sapphire for microe-lectronic elements], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 7, pp. 66-74.
14. Klunnikova Yu.V. Issledovanie protsessov polucheniya spaya sapfir-steklovidnyy dielektrik [Study of the processes of obtaining a junction between a sapphire and a vitreous dielectric], Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Bulletin of the Don], 2016, No. 1, pp. 17.
15. Komolikov Yu.I., Kashcheev I.D., Khrustov V.R. Termicheskoe rasshirenie kompozitsionnoy keramiki sistemy dioksid tsirkoniya ‒ oksid alyuminiya [Thermal expansion of composite ceramics of the zirconi-um dioxide ‒ aluminum oxide system], Novye ogneupory [New refractories], 2016, No. 9, pp. 59-62.
16. Malyukov S.P., Mishnev V.D. Matematicheskoe modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sos-toyaniya chuvstvitel'noy membrany datchika davleniya na osnove struktury «kremniy na sapfire» [Math-ematical modeling of the stress-strain state of the sensitive membrane of a pressure sensor based on the "silicon on sapphire" structure], Sovremennye informatsionnye tekhnologii: tendentsii i perspektivy razvitiya: Mater. XXXI nauchnoy konferentsii (YUzhnyy federal'nyy universitet, Rostov-na-Donu, 18–20 aprelya 2024 g.) [Modern information technologies: trends and development prospects: Proceedings of the XXXI scientific conference (Southern Federal University, Rostov-on-Don, April 18-20, 2024)], pp. 280-282.
17. Karumuri Srinivasa Rao & Samyuktha W. & Vardhan D. & Naidu B. & Kumar Puli & Sravani Girija & Guha Koushik. Design and sensitivity analysis of capacitive MEMS pressure sensor for blood pres-sure measurement, Microsystem Technologies, 2020, pp. 2371-2379.
18. Tinyakov Yu.N., Nikolaeva A.N. O raschete membran datchikov davleniya [On the calculation of pressure sensor membranes], Vestnik MGTU im. N.E.Baumana. Ser. “Priborostroenie” [Bulletin of Bauman Moscow State Technical University. Series “Instrument Engineering”], 2015, No. 6, pp. 135-142.
19. Andreev A.I., Zhukov A.V., Yakovishin A.S. Razrabotka metodiki v oblasti proektirovaniya membrannykh datchikov davleniya [Development of a methodology for designing membrane pressure sensors], Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, mate-rialovedenie [Bulletin of Perm National Research Polytechnic University. Mechanical Engineering, Ma-terials Science], 2022, Vol. 24, No. 1, pp. 28-34.
20. P'o V.T., Simonov B.M., Timoshenkov S.P. Issledovanie vozmozhnostey povysheniya chuvstvitel'nosti MEMS-datchika davleniya emkostnogo tipa s membranami razlichnykh geometricheskikh form [Study of the possibilities of increasing the sensitivity of a capacitive MEMS pressure sensor with membranes of various geometric shapes], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektronika [Bulletin of higher educational institutions. Electronics], 2023, Vol. 28, No. 2, pp. 222-231.
nce (Southern Federal University, Rostov-on-Don, April 13–15, 2023)], pp. 275-279.
