Вступ

Двадцять перше століття характеризується швидкими темпами розвитку мікроелектромеханічних систем (МЕМС), які належать до науково-прикладних галузей, розміщених на стику наук. МЕМС об’єднує досягнення механіки, мікроелектроніки, оптики, електротехніки та інших науково-прикладних галузей. Інтегральні пристрої цього типу мають деякі переваги порівняно з макропристроями: вони надійніші, дешевші, легші; інтеграція наукових галузей має синергетичний характер; їх виготовляють за груповою технологією тощо. Мікроелектромеханічні системи мають декілька цікавих аспектів, які напрямлені насамперед на вирішення нових проблем та завдань, пов’язаних з інформатизацією суспільства, відкривають нові перспективи у галузі ефективного використання енергії, моніторингу навколишнього середовища, подальшої мініатюризації систем різного функціонального призначення тощо. Отже, мікроелектромеханічні системи – це інтегровані чи мікропроцесорні системи, які комбінують електричні та механічні компоненти, виготовлені за технологіями, сумісними з технологіями інтегральних схем з розмірами від мікрометрів до декількох міліметрів, а наявність зв’язків між актюаторами, давачами та системою оброблення дає змогу відчувати та контролювати навколишнє середовище.
Така широка проблематика висуває нові завдання перед розробниками мікроелектромеханічних систем, зокрема: розроблення нових та модифікація наявних методів, засобів, підходів і технологій проектування гетерогенних систем, інтеграція програмних систем, призначених для виконання завдань з різних галузей науки та техніки, дослідження взаємного впливу елементів мікросистеми та їхнього розміщення на одному напівпровідниковому кристалі, дослідження впливу технологічних параметрів на вихідні конструктивні параметри інтегральних елементів тощо.
У монографії проаналізовано вищенаведені завдання та запропоновано можливі способи виконання деяких з них. Зокрема, у першому розділі проаналізовано сучасний стан інформаційних технологій аналізу та синтезу МЕМС. Здійснений аналіз засобів інформаційних технологій автоматизованого проектування МЕМС дає підстави зробити висновок про наявність деяких недоліків у відомих програмних продуктах для аналізу та синтезу МЕМС.
У другому розділі монографії наведені методи і моделі базових елементів для компонентного рівня проектування МЕМС, які розробили автори. Вдосконалено метод автоматизованої побудови моделей базових ємнісних елементів для компонентного рівня проектуванння МЕМС, який грунтується на забезпеченні єдиного підходу до визначення ємності для елементів різного
конструктивного виконання з мікронними розмірами на основі рівнянь у частинних похідних та побудованих алгоритмах. Набув подальшого розвитку метод автоматизованої побудови моделей
базових елементів пластинчастих конструкцій для компонентного рівня проектування МЕМС, який грунтується на теорії тонких пластин та коливних процесів і забезпечує синтез моделей, які потребують менших обчислювальних затрат за рахунок меншої кількості вузлових рівнянь. Набули подальшого розвитку базові математичні моделі для інтегральних термічних та п’єзорезистивних пристроїв МЕМС, які враховують особливості ієрархічного автоматизованого аналізу і синтезу та нелінійні нестаціонарні процеси в конструкціях. Здійснені обчислювальні експерименти з дослідження залежності похибки вихідних параметрів від величини кроку по координаті та часу для математичних моделей, під час формалізації яких використано рівняння в частинних похідних з подальшим застосуванням числових методів під час їх розв’язання.
Побудована область адекватності для математичних моделей елементів МЕМС, які ґрунтуються на теорії тонких пластин з приводом на основі електростатичної сили та визначено їхні критичні вихідні параметри.
Третій розділ роботи присвячений результатам аналізу та синтезу елементів МЕМС. Наведені результати оптимізації зустрічно-стрижневої конструкції інтегрального мікродавача згідно з критерієм максимальної ємності за наявності обмеженої площі, яку використовує пристрій. За допомогою побудованих математичних моделей ємнісних акселерометрів одержані результати аналізу напружено-деформованого стану ємнісних акселерометрів, виготовлених з таких
матеріалів, як кремній, оксид кремнію і нітрид кремнію та різного конструктивного виконання. Результати з дослідження залежності вихідної ємності від прикладеного прискорення показують, що вихідна ємність зі збільшенням прискорення зростає і змінюється за нелінійним законом та для пластинчастої конструкції є опуклою догори, а для гребінчастої – опуклою донизу. Наведено результати аналізу напружено-деформованого стану базового магнітного мікродавача і мікроактюатора від величини вектора магнітної індукції та струму в рамці електричного контуру. Виконано дослідження напружено-деформованого стану базових конструкцій мікропомп з електростатичним та п’єзоелектричним приводами для різного конструктивного виконання та матеріалів, що використовуються в мікроелектронній технології.

Про авторів

ТЕСЛЮК Василь Миколайович
Доктор технічних наук, професор кафедри систем автоматизованого проектування, декан повної
вищої освіти Інституту комп'ютерних наук та інформаційних технологій Національного університету "Львівська політехніка". Автор понад 230 наукових публікацій.

ДЕНИСЮК Павло Юрійович
Кандидат технічних наук, доцент кафедри систем автоматизованого проектування, заступник декана повної вищої освіти Інституту комп'ютерних наук та інформаційних технологій Національного університету "Львівська політехніка". Автор понад 60 наукових публікацій.