Оптимизация геометрических характеристик оптического измерительного преобразователя микроэлектромеханического датчика давления

В настоящее время разработка и производство микроэлектромеханических систем является одним из наиболее перспективных направлений развития мировой экономики. Одним из инновационных направлений в развитии микросистемной техники является интеграция оптических устройств в качестве измерительных преобразователей. Целью данной работы являлась оптимизация геометрии оптического измерительного преобразователя микроэлектромеханического датчика давления для обеспечения требуемой величины и линейности оптического коэффициента передачи. Микроэлектромеханический датчик давления содержит оптический измерительный преобразователь в виде пары волноводов, образующих оптический направленный ответвитель. Линейность оптического коэффициента передачи преобразователя обеспечивалась выбором оптимального начального зазора между волноводами на линейном участке кривой зависимости оптического коэффициента передачи от зазора. Для расчёта требуемых характеристик такого преобразователя использовалась комбинация метода конечных разностей во временной области и метода перекрытия мод. Это позволило рассчитать величину оптического коэффициента передачи при различных геометрических параметрах преобразователя. Используя две модели направленного ответвителя с кремниевыми и нитрид-кремниевыми волноводами были определены зависимости величины оптического коэффициента передачи преобразователя от длины оптической связи и радиуса изгиба волноводов. Используя полученные данные, для обеих моделей построены зависимости коэффициента передачи от зазора между волноводами, где были показаны оптимальные величины начальных зазоров и диапазон линейного участка. Проведённые в данной работе исследования позволили на этапе проектирования определить рабочий участок, на котором оптический измерительный преобразователь может измерять перемещения мембраны, пропорциональные действующему давлению в линейном диапазоне. Такой рабочий участок характеризуется начальным зазором в середине линейного участка, который составляет 500 нм для кремниевых волноводов и 600 нм для нитрид-кремниевых. При этом линейный участок передаточной характеристики преобразователя для обоих типов волноводов оценивается в ± 80 нм относительно начального зазора. В этом диапазоне оптический коэффициент передачи преобразователя с кремниевыми волноводами меняется в диапазоне от 0 до 0,86, что соответствует величине 5,375‧106 м-1. Диапазон изменения коэффициента передачи преобразователя с нитрид-кремниевыми волноводами лежит в пределах от 0,09 до 0,53, что соответствует величине 2,75‧106 м-1. Использованные методы компьютерного анализа позволили определить оптимальные геометрические характеристики оптического измерительного преобразователя, основанного на эффекте оптического туннелирования, используемого в микроэлектромеханическом датчике давления. Представленные модели преобразователей с волноводами из двух различных материалов показали различие по своим характеристикам. Оптимальные параметры для каждой модели достигаются при различных радиусах изгиба волноводов и длинах оптической связи.

1. Bhat KN, Nayak MM. MEMS Pressure SensorsAn Overview of Challenges in Technology and Packaging. Inst. Smart Struct. Syst. J. 2013;2(1):39-71.

2. Barlian AA, Park W-T, Mallon JR, Rastegar AJ, Pruitt BL. Review: Semiconductor Piezoresistance for Microsystems. Proceedings of the IEEE. 2009;97(3):513-552. DOI: 10.1109/JPROC.2009.2013612

3. Kanekal D, Jindal SK. Investigation of MEMS Piezoresistive Pressure Sensor with a Freely Supported Rectangular Silicon Carbide Diaphragm as a Primary Sensing Element for Altitudinal Applications. Silicon. 2023;(15):19471959. DOI: 10.1007/s12633-022-02146-z

4. Kyoung-Ho Ha, Heeyong Huh, Zhengjie Li, Nanshu Lu. Soft Capacitive Pressure Sensors: Trends, Challenges, and Perspectives. ACS Nano. 2022;16(3):3442-3448. DOI: 10.1021/acsnano.2c00308

5. Yulan Lu, Pengcheng Yan, Chao Xiang, Deyong Chen, Junbo Wang, Bo Xie and Jian Chen. A Resonant Pressure Microsensor with the Measurement Range of 1 MPa Based on Sensitivities Balanced Dual Resonators. Sensors. 2019;19(10):2272. DOI: 10.3390/s19102272

6. Shahiri Tabarestani M. Analytical Analysis of Capacitive Pressure Sensor with Clamped Diaphragm. Int. J. Eng. 2013;26(3(C)):297-302. doi:10.5829/idosi.ije.2013.26.03c.09

7. Boukabache A. [et al.]. Characterization and modelling of the mismatch of TCRs and their eff on the drift of the off voltage of piezoresistive pressure sensors. Sensors Actuators, A Phys. 2000;84(3):292-296. DOI: 10.1016/S0924-4247(00)00406-4

8. Belwanshi V. Analytical modeling to estimate the sensitivity of MEMS technology-based piezoresistive pressure sensor. J Comput Electron. 2021;(20):668-680. DOI: 10.1007/s10825-020-01592-5

9. Park S-H, Lee HB, Yeon SM, Park J, Lee NK. Flexible and Stretchable Piezoelectric Sensor with ThicknessTunable Confi of Electrospun Nanofi Mat and Elastomeric. Substrates. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016;8(37):24773-81. DOI: 10.1021/acsami.6b07833

10. Xu MG, Geiger H, Dakin JP. Fibre grating pressure sensor with enhanced sensitivity using a glass-bubble housing. Electronics Letters. 1996;32(2):128-129. DOI: 10.1049/el:19960022

11. Arkwright JW, Underhill ID, Maunder SA, Jafari A, Cartwright N, Lemckert C. Fiber Optic Pressure Sensing Arrays for Monitoring Horizontal and Vertical Pressures Generated by Traveling Water Waves. IEEE Sensors Journal. 2014;14(8):2739-2742. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2311806

12. Wang T, Ge Y, Ni H, Chang J, Zhang J, Ke W. Miniature fi pressure sensor based on an in-fi confocal cavity. Optik. 2018;(171):869-875. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.06.151

13. Guo F, Fink T, Han M, Koester L, Turner J, Huang J. High-sensitivity, high-frequency extrinsic Fabry– Perot interferometric fi sensor based on a thin silver diaphragm. Optics Letters. 2012;37(9):1505-1507. DOI: 10.1364/OL.37.001505

14. Evgenii Barbin, Tamara Nesterenko, Aleksej Koleda, Evgeniy Shesterikov, Ivan Kulinich, Andrey Kokolov and Anton Perin. The Design, Modeling and Experimental Investigation of a Micro-G Microoptoelectromechanical Accelerometer with an Optical Tunneling Measuring Transducer. Sensors. 2024;24(3):765. DOI: 10.3390/s24030765