Оптимальный параметрический синтез микроэлектромехнического датчика давления с реконфигуриуемой интерфейсной частью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тулаев Артём Толибович

• Тулаев Артём Толибович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Тулаев Артём Толибович

Введение

1 Обзор микромеханических датчиков давления

1.1 Описание объекта исследования

1.2 Классификация микромеханических датчиков давления

1.2.1 Технологии изготовления и корпусирования ММДД

1.2.2 Схемотехника ММДД

1.2.3 Применение ММДД

1.3 Цель и задачи работы

2 Методика параметрического синтеза микроэлектромеханического датчика давления с реконфигурируемой интерфейсной частью в интегральном исполнении на основе системной модели

2.1 Описание методики синтеза параметров компонентов ММДД на основе системной модели

2.2 Постановка задачи оптимизации на основе комплексного критерия

2.3 Анализ компонентов ММДД и области определения их параметров

2.4 Синтез и декомпозиция технических требований на реконфигурируемую ИС и ЧЭ

2.5 Выводы по главе

3 Синтез и оптимизация параметров системной модели микроэлектромеханического датчика давления с реконфигурируемой интерфейсной частью

3.1 Синтез системной модели ЧЭ

3.1.1 Физические принципы работы ЧЭ на основе тензорезисторов

3.1.2 Описание технологии изготовления ЧЭ на основе тензорезистивного способа преобразования

3.1.3 Оптимизация параметров системной модели ЧЭ на основе тензорезистивного способа съема

3.2 Синтез системной модели ИС и оптимизация параметров

3.2.1 Синтез системной модели аналоговой части ИС

3.2.2 Функциональное описание входных каскадов

3.2.3 Синтез системных моделей входного каскада и электронных блоков

3.2.4 Функциональное описание аналогового фильтра

3.2.5 Синтез системной модели АЦП

3.2.6 Синтез системной модели аналогового тракта ИС и оптимизация параметров

3.2.7 Определение требований к реконфигурируемости ИС с учетом технологических погрешностей изготовления ЧЭ

3.3 Синтез системной модели цифрового тракта ИС

3.3.1 Синтез системной модели выходных цифровых фильтров и оптимизация параметров

3.3.2 Синтез системной модели блока температурной компенсации

3.4 Выводы по главе

4 Оптимальный параметрический синтез конструкций чувствительных элементов и реконфигурируемой интерфейсной части

4.1 Параметрический синтез и моделирование конструкции ЧЭ для ММДД

4.1.1 Синтез расчетной модели ЧЭ

4.1.2 Результаты параметрических расчетов и оптимизации параметров ЧЭ

4.2 Схемотехнический синтез и моделирование тракта обработки ИС для ММДД

4.2.1 Схемотехнический синтез аналоговой части ИС

4.2.2 Синтез и верификация функционального описания цифровой части ИС

4.2.3 Синтез и моделирование модели тракта обработки ИС

4.3 Экстракция параметров ЧЭ

4.3.1 Моделирование и верификация расширенной системной модели

4.4 Синтез топологических описаний ЧЭ и ИС

4.5 Выводы по главе

5 Экспериментальные исследования микроэлектромеханического датчика давления с реконфигурируемой интерфейсной частью

5.1 Экспериментальное исследования ЧЭ

5.1.1 Результаты оптического контроля ЧЭ

5.1.2 Определение электрических параметров ЧЭ

5.2 Экспериментальное исследование ИС

5.2.1 Описание измерительной установки для ИС

5.2.2 Результаты измерений характеристик ИС

5.3 Экспериментальное исследование ММДД

5.3.1 Описание измерительной установки

5.3.2 Результаты измерений характеристик ММДД

5.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимальный параметрический синтез микроэлектромехнического датчика давления с реконфигуриуемой интерфейсной частью»

Актуальность темы исследования

В конце XX - начале XXI века способность инженеров уменьшать размеры электронных устройств при одновременном увеличении их производительности оказала глубокое влияние на технологии. Изобретение транзистора открыло эру твердотельной электроники, кремний стал базовым материалом микроэлектроники, была изобретена первая интегральная схема [1]. Успех твердотельной микроэлектроники зажег искру аналогичной революции в микромеханических системах и привел к появлению нового направления микроэлектромеханических систем (МЭМС). Пьезосопротивление и механические свойства монокристаллического кремния сделали его отличным материалом для производства сенсорных устройств и привели в 1960-х годах к созданию первых кремниевых датчиков давления [2].

МЭМС датчики давления занимают более трети современного рынка МЭМС систем согласно исследованиям аналитической компании Yole Development c оценкой в 2.2 миллиарда долларов США к 2026 году [3]. Ключевое применение микромеханические датчики давления находят в автомобильной, авиастроительной, судовой, медицинской, энергетической и добывающей отраслях. Преимущества микромеханических датчиков давления (ММДД) заключаются в низкой себестоимости за счет группового метода изготовления, малых габаритах, малой потребляемой мощности и высокой точности измерения. В этой связи ММДД находят применение в задачах контроля и управления физическими системами, в том числе автономными.

Исследования в области разработки ММДД проводятся в части разработки основных компонентов ММДД: чувствительного элемента и интегральной схемы, и широко представлены в трудах как российских, так и зарубежных авторов. Ключевыми организации, занимающиеся разработкой и изготовлением ММДД в Российской Федерации, являются: ВНИИА им. Н.Л. Духова (г. Москва), АО НИИФИ (г. Пенза), АО «ЗИТЦ» (г. Зеленоград), НПО Автоматики им. Н. А. Семихатова (г. Екатеринбург), а также зарубежные промышленные компании

такие как: Honeywell International Inc. (США), Robert Bosch GmbH (Германия), TE Connectivity Ltd. (США), STMicroelectonics (Швейцария), Sensata Technoliges Inc. (США), Amphenol Corporation (США).

В связи с бурным развитием в РФ автономного судовождения и освоения новых шельфовых месторождений существует потребность в миниатюрных устройствах контроля давления внутрикорабельных систем управления и индустриального оборудования. Актуально применение ММДД в составе беспилотных грузовых автомобильных систем, и бесплатформенных инерциальных измерительных моделей в качестве дополнительного информационного канала. Для повышения общей технологичности отечественных производств актуальна замена существующих датчиков давления в промышленных системах мониторинга, контроля и управления давлением с целью увеличения их эффективности. В условиях усиливающегося санкционного давления задача оптимального синтеза отечественного ММДД с реконфигурируемой интегральной схемой с локализованным производством становится остро.

Методика синтеза ММДД с реконфигурируемой интегральной схемой, изложенная в настоящей работе, позволяет синтезировать основные компоненты ММДД - чувствительный элемент (ЧЭ) и интерфейс для обработки и передачи информации в виде интегральной схемы (ИС). Степень разработанности темы

Значительный вклад в изучение оптимального синтеза МЭМС датчиков давления внесли: A.A. Barlian, A.V. Tran, C. Li, P. Song, F. Cordovilla, М.В. Басов, Д.М. Пригодский. Большинство научных работ авторов посвящены вопросам оптимального параметрического синтеза конструкций ЧЭ датчиков давления, снижению габаритных размеров ЧЭ, улучшению их точностных и эксплуатационных характеристик в условиях внешних воздействующих факторов, за счет оптимизации конструкции ЧЭ и его геометрических параметров. Однако в трудах авторов в недостаточной степени рассматривается влияние технологических погрешностей изготовления ЧЭ на характеристики датчика,

возможности учета их влияния на характеристики датчика в сборе на этапе синтеза ЧЭ, практически не рассматриваются вопросы синтеза типовых рядов базовых конструкций ЧЭ на базе единой технологии изготовления, что приводит к повышению трудозатрат при разработке и изготовлении ЧЭ и снижению выхода годных изделий.

На текущий момент отсутствуют обобщенные методики синтеза датчиков на основе совместного синтеза ЧЭ и ИС и оценкой выходных характеристик датчика с использованием системной модели датчика. ЧЭ синтезируется в отрыве от характеристик схемы обработки, что приводит к формированию неоптимальных технических требований к ИС. Не рассматриваются методики компактного моделирования ЧЭ для решения задач верификации и снижения итоговой погрешности при практической реализации датчика.

В части реконфигурируемый интерфейсной части значительный вклад внесли: R. Baker, S. Pavan, R. Schreier, Y. Kwon, K. Nam, Q. Chi, K. Park, D. You, X. Pham, K. Kishore. Работы авторов посвящены решению задач оптимального синтеза широкого класса микроэлектронных схем обработки, в том числе для микроэлектромеханических датчиков. Однако, авторы в явном виде не раскрывают методики совместного синтеза ИС и ЧЭ, что не позволяет привязать характеристики датчика и ИС для обработки, не приводят методики синтеза реконфигурирумых схем для датчиков давления и не проводят оптимизацию схем обработки исходя из требований на датчик.

Для решения данных задач в мировой практике применяется подход, основанный на применении методов системного моделирования [4-6], в этой связи данная работа ориентирована на решение обозначенных научных проблем при синтезе микроэлектромеханических датчиков давления при помощи методов системного моделирования.

Объектом исследования в работе является микроэлектромеханический датчик давления с реконфигурируемой интерфейсной частью

Предметом исследования в работе является оптимальный параметрический синтез микроэлектромеханического датчика давления с реконфигурируемой интерфейсной частью Цель работы

Целью работы является оптимальный параметрический синтез микроэлектромеханического датчика давления c реконфигурируемой интерфейсной частью на основе комплексного критерия оптимизации, включающего погрешность измерений, потребляемую мощность, массогабаритные показатели составных частей.

Достижение поставленной цели решается следующими задачами:

1. Разработка методики параметрического синтеза микроэлектромеханического датчика давления c реконфигурируемой интерфейсной частью в интегральном исполнении.

2. Синтез и оптимизация параметров микроэлектромеханического датчика давления, отличающегося от известных реконфигурируемой интерфейсной частью на уровне системной модели.

3. Оптимальный параметрический синтез на уровне моделей конструкций чувствительных элементов и реконфигурируемой интерфейсной части, с поэтапной оценкой области оптимальных параметров с учетом погрешностей изготовления, паразитных параметров и конструктивно-технологических ограничений.

4. Изготовление и экспериментальные исследования микроэлектромеханического датчика давления с реконфигурируемой интерфейсной частью с целью проверки основных теоретических выводов. Научная новизна

1. Предложена оригинальная методика синтеза микромеханического датчика давления на основе системной модели, позволяющая достигнуть погрешность при практической реализации датчика менее 10%.

2. Разработан адаптивный комплексный критерий оптимизации, расширяющий критерий Size, Weight and Power (SWaP) в части учета

разнородных конструктивно-технологических ограничений и разбросов параметров компонентов.

3. Проведена процедура экстракции параметров микромеханического чувствительного элемента для проведения моделирования с реконфигурируемой интерфейсной частью, позволяющая проводить совместный анализ механического чувствительного элемента и электрической интегральной схемы с отклонением от исследуемых характеристик не более 11%.

4. Разработана и изготовлена интегральная микросхема интерфейсной части с динамическими параметрами, позволяющими обеспечивать случайную погрешность микромеханического датчика не хуже, чем 0.05% и возможностью проводить реконфигурацию для достижения предельных точностных характеристик датчика с учетом экспериментально измеренных характеристик чувствительного элемента и влияний технологических разбросов чувствительного элемента и интегральной микросхемы.

5. Разработана экспериментальная установка для тестирования микроэлектромеханических датчиков давления, позволяющая проводить автоматизированные исследования и реконфигурацию микроэлектромеханических датчиков давления и их компонентов. Практическая и теоретическая значимость результатов диссертационной работы

1. Разработана параметрическая системная модель микроэлектромеханического датчика давления с использованием комплексного критерия оптимизации.

2. Синтезирован типовой ряд конструкций чувствительных элементов микроэлектромеханического датчика давления с оптимальными параметрами, а также схемотехническое решение реконфигурируемой интерфейсной части в интегральном исполнении на основе системной модели.

3. Согласно разработанному типовому ряду разработаны топологии чувствительных элементов микроэлектромеханических датчиков давления, а

также топология реконфигурируемой интерфейсной части в интегральном исполнении.

4. Впервые изготовлен типовой ряд конструкций чувствительных элементов микроэлектромеханического датчика давления с оптимальными параметрами на кремниевом производстве АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

5. Изготовлена реконфигурируемая интерфейсная часть в интегральном исполнении на отечественном микроэлектронном производстве АО «Микрон», вошедшая в состав микроэлектромеханического датчика давления.

6. Разработана и внедрена в производственные процессы АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» экспериментальная установка для исследования характеристик микроэлектромеханических датчиков давления.

Получено свидетельство о регистрации охраняемого результата интеллектуальной деятельности в виде топологии интегральной микросхемы. Методология и методы исследования

Решение поставленных задач выполнялось с использованием комплексного метода включающего и теоретические и экспериментальные исследования. При выполнении работ по синтезу системной модели применялись методы структурного и параметрического синтеза методами математического численного моделирования в программных пакетах Matlab/Simulink и Cadence Virtuoso. Для решения задач синтеза топологий применялись методы конструкционного синтеза. Экспериментальные исследования проведены с применением методов статистической обработки измерений физических величин. Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Чтобы обеспечить погрешность практической реализации датчика не более 10% необходимо использовать оригинальную методику синтеза микромеханического датчика давления, на основе системной модели датчика и его компонентов с поэтапной оптимизацией по комплексному критерию за счет контроля характеристик датчика давления как изделия на всех этапах проектирования, тем самым повышая выход годных.

2. Чтобы провести совместный параметрический синтез чувствительного элемента и интерфейсной части необходимо расширить критерий оптимизации Size, Weight and Power (SWaP) за счет дополнительных критериев, учитывающих конструктивно-технологические ограничения и разброс параметров компонентов.

3. Для обеспечения случайной погрешности измерений микроэлектромеханического датчика давления в сборе не хуже, чем 0.05% оптимальные динамические параметры интерфейсной части SNR и SFDR должны быть не менее чем 70.4 дБ и 61 дБ, соответственно.

4. Для того, чтобы сократить количество фотошаблонов с 5 до 3 в технологическом процессе изготовления ЧЭ без операции ионной имплантации для типового ряда датчиков давления с верхними пределами измерения из ряда 10 кПа, 100 кПа, 1 МПа, 10 МПа и 100 МПа необходимо провести унификацию габаритных размеров ЧЭ, при этом случайная погрешность измерений в типовом ряде 10 кПа-100 МПа будет менее 0.5%, а в ряде 100 кПа-10 МПа менее 0.1%.

5. Процедура экстракции параметров чувствительного элемента по методике синтеза МЭМС датчика давления на основе системной модели является универсальной для типового ряда конструкций чувствительных элементов, не зависит от конфигурации интерфейсной части и позволяет достигнуть отклонение в характеристике нелинейности не более 11% от конечно-элементной модели. Степень достоверности и апробации результатов

Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов исследований и соответствием представленных аналитических теоретических моделей и результатов моделирования с данными результатов взаимодополняющих экспериментальных исследований с научно методологическим анализом результатов. Апробация основных положений и выводов работы проводилась на международных конференциях и семинарах. Результаты исследований опубликованы в профильных рецензируемых научных изданиях «Scopus» и рекомендуемых ВАК.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научно-технических конференциях:

1. Международная конференция «Proceedings of the 2023 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, EExPolytech 2023» в Санкт-Петербурге;

2. Международная конференция «Proceedings of the 2024 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics, EExPolytech 2024» в Санкт-Петербурге;

3. XXIV конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» с международным участием.

Публикации

По теме диссертационного исследования опубликовано 9 работ, в том числе 4 научные статьи в журналах входящих в базу «Scopus», 3 научные статьи, входящие в перечень журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ. 1 работа опубликована журнале, входящем в базу РИНЦ. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы. Личный вклад автора

Диссертационная работа является самостоятельным научным исследованием, в котором автор изложил результаты исследований. Личный вклад автора состоит в формировании обобщенной методики синтеза микроэлектромеханчекого датчика давления с реконфигурируемой интерфейсной частью, а также постановке и решении задачи оптимального параметрического синтеза микроэлектромеханического датчика давления по разработанному автором критерию оптимизации, расширяющему критерий оптимизации Size, Weight and Power (SWaP) за счет дополнительных критериев, учитывающих конструктивно-технологические ограничения и разброс параметров компонентов. Кроме того, личный вклад автора состоит в разработке микроэлектромеханического датчика давления, включая разработку конструкций и топологий типового ряда ЧЭ и реконфигурируемой интерфейсной части в виде ИС, а также оценки их характеристик с помощью имитационного моделирования и экспериментальных исследований. Личный вклад автора заключается в

разработке экспериментальной установки для проведения исследования характеристик датчиков и их компонентов. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 176 страниц, 105 рисунков, 27 таблиц.

Список литературы

Список литературы диссертационной работы охватывает работы как зарубежных, так и отечественных авторов и представлен на 17 страницах в 169 наименованиях.

1 Обзор микромеханических датчиков давления 1.1 Описание объекта исследования

Датчик давления - это устройство с изменяющимися физическими параметрами, которые меняются в зависимости от давления измеряемой среды, и преобразующее это давление в пропорциональный выходной аналоговый или цифровой электрический сигнал. Типовой МЭМС датчик давления/ММДД (Рисунок 1) состоит из чувствительного элемента (ЧЭ), и электронной схемы обработки - интегральной схемы (ИС) [7].

Рисунок 1 - Схема типового МЭМС датчик давления [7] Основными характеристиками МЭМС датчиков давления являются диапазон измерений, погрешность измерений от полного диапазона измерений, рабочий диапазон температур, рабочая полоса и потребляемая мощность [3,8]. В общем случае, датчик давления построен на основе мембраны, которая прогибается при наличии разности давлений (1):

АР = Р1-Р2 (1)

действующих на нее с одной и, с другой стороны. Разность давлений при этом может формироваться различными способами (Рисунок 2), в зависимости от этого датчики давления делятся на следующие типы:

1. Датчик абсолютного давления, предназначенный для измерения абсолютного давления жидких и газообразных сред (Р1) относительно вакуума (Р2 ~ 0 Па);

2. Датчик относительного давления, предназначенный для измерения избыточного давления жидких и газообразных сред (Р1) относительно атмосферного давления (Р2 ~ 101,3 кПа). Частные случаи:

3. Датчик избыточного давления, применяемый в случае, если давление среды (Р1) превышает атмосферное;

4. Датчик давления-разряжения, применяемый в случае, если давление среды (Р1) ниже атмосферного;

5. Датчик дифференциального (разности, перепада) давления, предназначенный для измерения разности давлений среды, которые подаются по обе стороны мембраны;

6. Датчик барометрического давления (частный случай датчика абсолютного давления), предназначенный для измерения атмосферного давления окружающей среды (Р1) относительно вакуума (Р2 ~ 0 Па).

Рисунок 2 - Типы измеряемых давлений: 1 - абсолютное; 2 - избыточное (относительное); 3 - дифференциальное (давление разности/перепада), 4 -давление разряжения (давление вакуума); 5 - барометрическое (частный случай

абсолютного)

Среди дополнительных характеристик МЭМС датчиков давления также выделяют ошибку измерения нулевого сигнала, чувствительность к изменению давления, погрешность нелинейности измерения выходного сигнала, погрешность

вариации выходного сигнала, температурный дрейф масштабного коэффициента и нулевого сигнала, повторяемость выходного сигнала и величину температурного гистерезиса [8,9].

1.2 Классификация микромеханических датчиков давления

При проектировании МЭМС датчиков давления используются несколько основных подходов: аналитические методики проектирования [10-13], методы конечно-элементного моделирования, с применением программных пакетов COMSOL Multiphysics, ANSYS [14-21] и с применением специализированных программных пакетов для разработки микромеханических устройств [11,13,2224], например, Coventor или Intellisuite.

Аналитическая методика проектирования датчика давления, основанного как на электростатическом [11], так и на тензорезистивном [10,12,13] съеме, базируется на построении математической модели чувствительного элемента на основе дифференциального уравнения отклонения тонкой мембраны (2).

d4w d4w d4w _ Р

Их4 дх2ду2 Jy4 ~D (

где P - прикладываемое давление, D - цилиндрическая жесткость мембраны (3), w - величина перемещений мембраны вдоль оси z.

Fh3

D = —^h— (3)

^ 12(1-v2) (3Л

где E - модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона, а h - толщина мембраны.

В зависимости от выбранного метода съема, прикладными решениями уравнения (2) являются случаи максимального отклонения мембраны от устойчивого положения, а также случай максимальных механических напряжений в мембране. Некоторыми авторами также рассматриваются случаи максимального среднего отклонения, а также максимального среднего механического напряжения [11].

Специфика данной методики заключается в возможности получения быстрых оценочных результатов. В общем случае полученные решения не будут учитывать распределения механических напряжений по тензорезистору, распределение деформаций по мембране, образующей плоскопараллельный

конденсатор и др. В случае же наличия дополнительных конструктивных электромеханических элементов на мембране или использования разных материалов в составе мембраны аналитические описания становятся чересчур сложными [25].

Конечно-элементный метод (КЭМ, FEM) проектирования предполагает построение КЭ-модели чувствительного элемента датчика давления с использованием специализированных программных платформ (COMSOL, ANSYS), позволяющим использовать численное решение дифференциальных уравнений. При этом исходными данными для построения КЭМ могут служить данные, полученные на этапе проведения аналитических оценок.

Специфика КЭМ позволяет проектировать микромеханические датчики с любыми видами конструктивных элементов [25,26,27] и мультифизичными взаимодействиями [15,16] без необходимости поиска точного аналитического решения. Минусами метода, являются необходимость построения достоверной КЭ математической модели, а также сложность интеграции разработанной модели на системном уровне для оценки поведения системы в целом.

Для решения данных задач может быть применена методика разработки с использованием специализированного программного обеспечения для микромеханики (Coventor, Intellisuite) [11,13,22-24], предлагающем разработчику использовать библиотеки стандартных конструктивных микромеханических элементов, привязанных к технологической библиотеке, объединяя их в общую микромеханическую систему. Создаваемые математические модели датчика обладают высокой степенью соответствия КЭ модели, при этом позволяют проводить моделирование в том числе и на системном уровне.

Для получения информации о механическом воздействии на мембрану в ММДД могут применяться различные способы съема полезной информации. По типу измерения возникающих механических напряжений применяются тензорезистивные, пьезоэлектрические и частотные методы [28]. Для измерения перемещения мембраны используются емкостные, оптические и индуктивные методы [29].

Большинством исследователей в области ММДД рассматриваются датчики давления на основе тензорезистивного способа съема с использованием одной или нескольких мостовых схем включения тензорезисторов, расположенных на чувствительном элементе [8,10,11-13,18-20,23-27,30-52]. При этом часть публикации посвящена исследованию или разработке датчиков на основе емкостного съема [11,21-22,53-62]. В обоих случаях создается гибкий слой (мембрана), который действует как диафрагма, отклоняющаяся под давлением.

Достоинства и недостатки каждого из двух типов преобразователей приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение емкостного и тензорезистивного преобразователей

Тензорезистивный съем Емкостной съем

Достоинства - линейность выходной характеристики; - минимизация паразитных электрических связей; - простая технология изготовления; -высокая чувствительность; -низкое энергопотребление; -низкий собственный уровень шума;

Недостатки -высокий уровень шума; -температурная зависимость параметров; -высокое энергопотребление; -относительно низкая чувствительность; -температурная зависимость параметров; -нелинейность выходной характеристики; -большое значение паразитных параметров; -сложная технология изготовления (необходимость формирования второй мембраны-электрода)

1.2.1 Технологии изготовления и корпусирования ММДД

В качестве технологии изготовления мембраны большое число авторов рассматривает стандартные технологии на основе кремния [8,10-13,24-26,3052,63-70], а также технологии кремний на изоляторе (КНИ) [23,27,42-44], либо интеграцию в стандартный КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник) процесс [7,14-17,22,52,71-76].

В качестве основы для изготовления МЭМС структур используются легированные P-типом проводимости кремниевые пластины, применяемые при изготовлении интегральных схем. Процесс изготовления ММДД представляет набор стандартных технологических операций микроэлектроники, но отличается в зависимости от способа съема [77]. Типовой технологический маршрут на основе КМОП технологии состоит из следующих операции [8,10,25-26,36] и представлен на рисунке 3:

1. Сухое или жидкостное окисление пластины.

2. Фотолитография, ионная имплантация для нанесения тензорезисторов и контактных окон.

3. Осаждение Si3N4 для пассивации.

4. Анизотропное мокрое травление с одной стороны мембраны для формирования полости.

5. Глубокое реактивное ионное травление (DRIE или RIE, ГРИТ) с одной или обоих сторон для формирования конструктивных элементов или полости.

6. Нанесение металлизации, например, алюминием (Al).

7. Анодная сварка с боросиликатным стеклом (BF33, PYREX7740) [78].

8. Корпусирование датчика.

Рисунок 3 - Типовой технологический маршрут на основе КМОП технологии [3,25] а) чистка пластины, формирование окисла, Ь) фотолитография, вскрытие

окисла, ионная имплантация для нанесения тензорезисторов, с) ионная имплантация контактных окон, d) осаждение Si3N4 для пассивации, e) вскрытие контактных окон, : нанесение металлизации, g) ГРИТ элементов конструкции с верхней стороны, И) анизатропное травление для формирования полости под мембраной, 1) анодное сращивание со стеклом Описанный технологический маршрут также полностью совместим с технологией КНИ [27,43-44]. Основными преимуществами использования КНИ пластин является повышенный рабочий температурный диапазон, а также

повышенная радиационная стойкость изделия. Минусом использования технологии КНИ является большая стоимость по сравнению со стандартной p-пластиной.

В зависимости от типа датчика - абсолютного или относительного давления, могут быть добавлены дополнительные технологические операции по вакуумированию и запечатыванию полости под мембраной, путем нанесения геттера [44] на основание и герметичной сварки. Установка датчика зачастую выполняется на боросиликатное стекло, например, BF33 [27] или PYRE 7740 [26], [79]. Дальнейший монтаж может быть осуществлен на печатную плату [10], корпус типа TO-8 [26], или на металлокерамический корпус [50] с помощью клея [38]. Выбор материала обусловлен необходимостью согласования температурных коэффициентов расширения между кремнием, стеклом и металлокерамическим основанием, а также особенностями операции сращивания. Электрическое соединение осуществляется через контактные площадки с помощью автоматической установки распайки электрических соединений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тулаев Артём Толибович, 2025 год

Список литературы

1. Noyce R. N. Integrated circuits in military equipment //IEEE spectrum. -1964. - Т. 1. - №. 6. - С. 71-72.

2. Mason W. P., Thurston R. N. Use of piezoresistive materials in the measurement of displacement, force, and torque //The Journal of the Acoustical Society of America. - 1957. - Т. 29. - №. 10. - С. 1096-1101.

3. Tulaev A. T. et al. MEMS Pressure Sensors Design, Simulation, Manufacturing, Interface Circuits: A Review //IEEE Sensors Journal. - 2024.

4. Fedder G. K., Jing Q. A hierarchical circuit-level design methodology for microelectromechanical systems //IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing. - 1999. - Т. 46. - №. 10. - С. 1309-1315.

5. Bechtold T., Schrag G., Feng L. System-level Modeling of MEMS. - John Wiley & Sons, 2012

6. Cellier F. E., Greifeneder J. Continuous system modeling. - Springer Science & Business Media, 2013.

7. Liu Y. et al. Development of CMOS-MEMS cointegrated pressure sensor using Minimal Fab process //ECS Transactions. - 2020. - Т. 97. - №. 1. - С. 35.

8. Gupta L., Singh G., Pandey V. A study of piezoresistive pressure sensor technology //AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing, 2021. - Т. 2327. - №. 1.

9. ГОСТ 22520-85 Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия: утвержден и введен в действие Постановление Государственного комитета СССР по стандартам от 26.03.85 №837: дата введения 01.07.86. - URL:

https://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=142191 (дата обращения 16.02.2025). Текст: электронный.

10. Zhang J. et al. Design, fabrication, and implementation of an array-type MEMS piezoresistive intelligent pressure sensor system //Micromachines. - 2018. - Т. 9. - №. 3. - С. 104.

11. Mishra R. B., Santosh Kumar S., Mukhiya R. Modeling and fem-based simulations of composite membrane based circular capacitive pressure sensor //Advances in VLSI, Communication, and Signal Processing: Select Proceedings of VCAS 2018. - Singapore : Springer Singapore, 2019. - С. 497-506.

12. Belwanshi V. Analytical modeling to estimate the sensitivity of MEMS technology-based piezoresistive pressure sensor //Journal of Computational Electronics.

- 2021. - Т. 20. - №. 1. - С. 668-680.

13. Sujit E. S., Kusuma N., Hemalatha B. Polysilicon piezoresistive MEMS pressure sensor: Study of analytical solutions for diaphragm and design & simulation //2017 International Conference on Communication and Signal Processing (ICCSP). -IEEE, 2017. - С. 1606-1610.

14. Lauer K. et al. Determination of piezo-resistive coefficient n44 in p-type silicon by comparing simulation and measurement of pressure sensors //AIP Advances.

- 2021. - Т. 11. - №. 8.

15. Wolde W., Gupta P. The performance study of MOSFET based MEMS pressure sensor with partially active voltage divider readout circuit //2021 International Conference on Intelligent Technologies (CONIT). - IEEE, 2021. - С. 1-5.

16. Wolde W., Gupta P. The design and simulation of a MOSFET-based MEMS pressure sensor using an integrated simulation approach //Journal of Computational Electronics. - 2021. - Т. 20. - №. 3. - С. 1387-1399.

17. Middelburg L. M. et al. Toward a self-sensing piezoresistive pressure sensor for all-SiC monolithic integration //IEEE Sensors Journal. - 2020. - Т. 20. - №. 19. - С. 11265-11274.

18. Patankar M. K. et al. A simulation approach to study the effect of SiC polytypism factor on sensitivity of piezoresistive MEMS pressure sensor //Silicon. -2022. - С. 1-9.

19. Verma P., Punetha D., Pandey S. K. Sensitivity optimization of MEMS based piezoresistive pressure sensor for harsh environment //Silicon. - 2020. - Т. 12. -№. 11. - С. 2663-2671.

20. Nag M. et al. Sensitivity enhancement and temperature compatibility of graphene piezoresistive MEMS pressure sensor //Microsystem Technologies. - 2019. -Т. 25. - С. 3977-3982.

21. Tripathi P., Pandey S. K., Sharma A. K. Design and simulation based analysis of flexible capacitive pressure sensor and improvement in sensing characteristics //2021 2nd International Conference for Emerging Technology (INCET).

- IEEE, 2021. - С. 1-5.

22. Hsieh K. Y., Lee J., Lu M. S. C. Design and characterization of a CMOS MEMS capacitive squeeze-film pressure sensor with high sensitivity //2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). - IEEE, 2020. - С. 626-629.

23. Sindhanaiselvi D., Natarajan R. A., Shanmuganantham T. Performance analysis of sculptured diaphragm for low pressure MEMS sensors //Applied Mechanics and Materials. - 2014. - Т. 592. - С. 2193-2198.

24. Kishore K. et al. High-resolution current mode interface for MEMS piezoresistive pressure sensor //AEU-International Journal of Electronics and Communications. - 2021. - Т. 134. - С. 153707.

25. Tran A. V., Zhang X., Zhu B. The development of a new piezoresistive pressure sensor for low pressures //IEEE Transactions on industrial electronics. - 2017.

- Т. 65. - №. 8. - С. 6487-6496.

26. Tran A. V., Zhang X., Zhu B. Mechanical structural design of a piezoresistive pressure sensor for low-pressure measurement: A computational analysis by increases in the sensor sensitivity //Sensors. - 2018. - Т. 18. - №. 7. - С. 2023.

27. Li C. et al. Design optimization and fabrication of a novel structural SOI piezoresistive pressure sensor with high accuracy //Sensors. - 2018. - Т. 18. - №. 2. -С. 439.

28. Song P. et al. Recent progress of miniature MEMS pressure sensors //Micromachines. - 2020. - Т. 11. - №. 1. - С. 56.

29. Bakhoum E. G., Cheng M. H. M. High-sensitivity inductive pressure sensor //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2011. - Т. 60. - №. 8. - С. 2960-2966.

30. Li C. et al. Design and optimization of a novel structural MEMS piezoresistive pressure sensor //Microsystem Technologies. - 2017. - Т. 23. - С. 45314541.

31. Rao R. et al. Impact of the diaphragm structure on the linearity and temperature sensitivity of low-pressure piezo-resistive MEMS pressure sensors //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2020. - Т. 872. - №. 1. - С. 012022.

32. SAHAY R. et al. Design and analysis of a novel MEMS piezoresistive pressure sensor with annular groove membrane and centre mass for low pressure measurements. - 2021.

33. Sharma S. et al. Optimization of MEMS type pressure sensor with pressure range 0 to 1.1 bar //2020 International Conference on Computational Performance Evaluation (ComPE). - IEEE, 2020. - С. 082-086.

34. Kordrostami Z., Hassanli K., Akbarian A. MEMS piezoresistive pressure sensor with patterned thinning of diaphragm //Microelectronics International. - 2020. -Т. 37. - №. 3. - С. 147-153.

35. Nallathambi A., Shanmuganantham T., Sindhanaiselvi D. Design and analysis of MEMS based piezoresistive pressure sensor for sensitivity enhancement //Materials Today: Proceedings. - 2018. - Т. 5. - №. 1. - С. 1897-1903.

36. Song P. et al. A novel piezoresistive MEMS pressure sensors based on temporary bonding technology //Sensors. - 2020. - Т. 20. - №. 2. - С. 337.

37. Farhath M., Samad M. F. Design and simulation of a high sensitive stripped-shaped piezoresistive pressure sensor //Journal of Computational Electronics. -2020. - Т. 19. - №. 1. - С. 310-320.

38. Suganthi S. et al. Study and analysis of the effective geometries for the piezoresistive pressure sensors //Turkish Journal of Computer and Mathematics Education (TURCOMAT). - 2021. - Т. 12. - №. 6. - С. 281-288.

39. Singh K. et al. Influence of the pressure range on temperature coefficient of resistivity (TCR) for polysilicon piezoresistive MEMS pressure sensor //Physica Scripta. - 2020. - Т. 95. - №. 7. - С. 075005.

40. Basov M., Prigodskiy D. Development of high-sensitivity piezoresistive pressure sensors for- 0.5...+ 0.5 kPa //Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2020. - Т. 30. - №. 10. - С. 105006.

41. Samridhi et al. Stress and frequency analysis of silicon diaphragm of MEMS based piezoresistive pressure sensor //International Journal of Modern Physics B. - 2019. - Т. 33. - №. 07. - С. 1950040.

42. Sindhanaiselvi D., Shanmuganantham T. Double boss sculptured diaphragm employed piezoresistive MEMS pressure sensor with silicon-on-insulator (SOI) //J Eng Sci Technol. - 2017. - Т. 12. - №. 7. - С. 1740-1754.

43. Li C. et al. Characterization and analysis of a novel structural SOI piezoresistive pressure sensor with high sensitivity and linearity //Microsystem Technologies. - 2020. - Т. 26. - С. 2955-2960.

44. Meng Q. et al. A piezoresistive pressure sensor with optimized positions and thickness of piezoresistors //Micromachines. - 2021. - Т. 12. - №. 9. - С. 1095.

45. Zhang Y. et al. Investigation of potting-adhesive-induced thermal stress in MEMS pressure sensor //Sensors. - 2021. - Т. 21. - №. 6. - С. 2011.

46. Patankar M. K. et al. Design, analysis and fabrication of 4H-SiC diaphragm for piezoresistive MEMS pressure sensor //ISSS Journal of Micro and Smart Systems. - 2021. - Т. 10. - №. 1. - С. 41-50.

47. Tian B. et al. Performance optimization of SiC piezoresistive pressure sensor through suitable piezoresistor design //Microsystem Technologies. - 2021. - Т. 27. - С. 3083-3093.

48. Devi R., Gill S. S. A squared bossed diaphragm piezoresistive pressure sensor based on CNTs for low pressure range with enhanced sensitivity //Microsystem technologies. - 2021. - Т. 27. - С. 3225-3233.

49. Kavitha K., Shanmugaraja P., Shree R. P. B. Design and displacement analysis of three different cantilever based MEMS piezoresistive pressure sensor with polymer (PDMS/PMMA) thin flim //REVISTA GEINTEC-GESTAO INOVACAO E TECNOLOGIAS. - 2021. - Т. 11. - №. 2. - С. 1629-1640.

50. Karbari S. R., Vahvale Y. D., Kumar K. Design and optimization of piezo resistors for a graphene based MEMS ICP sensor //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2021. - Т. 1136. - №. 1. - С. 012073.

51. Nag M., Kumar A., Pratap B. A novel graphene pressure sensor with zigzag shaped piezoresistors for maximum strain coverage for enhancing the sensitivity of the pressure sensor //International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization. - 2021. - Т. 12. - С. 14.

52. Basov M. High sensitive, linear and thermostable pressure sensor utilizing bipolar junction transistor for 5 kPa //Physica Scripta. - 2021. - Т. 96. - №. 6. - С. 065705.

53. Balavalad K. B., Sheeparamatti B. G., Math V. B. Design and simulation of MEMS capacitive pressure sensor array for wide range pressure measurement //Int J Comput Appl. - 2017. - Т. 163. - №. 6. - С. 39-46.

54. Ke X., Li G., Han X., Cheng Y., Sun W., Xu M., Chen H., Zhao C., and Li D., 'Design and fabrication of a differential pressure MEMS capacitance diaphragm gauge based on heavily boron-doping technique', Vacuum, vol. 184, p. 109880, 2021.

55. Han X., Li G., Xu M., Ke X., Chen H., Feng Y., Yan H., Li D., 'Differential MEMS capacitance diaphragm vacuum gauge with high sensitivity and wide range', Vacuum, vol. 191, p. 110367, 2021.

56. Xu M. et al. Design and fabrication of an absolute pressure MEMS capacitance vacuum sensor based on silicon bonding technology //Vacuum. - 2021. - T. 186. - C. 110065.

57. Jang M., Yun K. S. MEMS capacitive pressure sensor monolithically integrated with CMOS readout circuit by using post CMOS processes //Micro and Nano Systems Letters. - 2017. - T. 5. - C. 1-5.

58. Lin W. C. et al. Sensitivity improvement for CMOS-MEMS capacitive pressure sensor using double deformarle diaphragms with trenches //2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS). - IEEE, 2017. - C. 782-785.

59. Elshabasy M. M. Y. B., Al-Moghazy M. A., El Gamal H. A. Investigation of the enhancement of microelectromechanical capacitive pressure sensor performance using the genetic algorithm optimization technique //Engineering Optimization. - 2021. - T. 53. - №. 1. - C. 1-17.

60. Bhol K. Highly sensitive MEMS based capacitive pressure sensor design using COMSOL multiphysics & its application in lubricating system //Appl. Sci. -2017. - T. 2. - №. 4. - C. 66-71.

61. Zhang C. et al. A capacitive pressure sensor interface IC with wireless power and data transfer //Micromachines. - 2020. - T. 11. - №. 10. - C. 897.

62. Chiu J., Lu M. S. C. Design and characterization of a CMOS MEMS capacitive squeeze-film pressure sensor //2019 IEEE 32nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). - IEEE, 2019. - C. 755-758.

63. A. V. Tran, X. Zhang, and B. Zhu, "Effects of temperature and residual stresses on the output characteristics of a piezoresistive pressure sensor," IEEE Access, vol. 7, pp. 27668-27676, 2019.

64. Xie X. et al. Design and fabrication of temperature-insensitive MEMS pressure sensor utilizing aluminum-silicon hybrid structures //IEEE Sensors Journal. -2020. - T. 21. - №. 5. - C. 5861-5870.

65. Kayed M. O. et al. Development of MEMS-based piezoresistive 3D stress/strain sensor using strain technology and smart temperature compensation

//Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2021. - T. 31. - №. 3. - C. 035010.

66. Hamid Y. et al. Relative contributions of packaging elements to the thermal hysteresis of a MEMS pressure sensor //Sensors. - 2020. - T. 20. - №. 6. - C. 1727.

67. Waber T. et al. Temperature characterization of flip-chip packaged piezoresistive barometric pressure sensors //Microsystem technologies. - 2014. - T. 20.

- C. 861-867.

68. Pieniazek J., Ciecinski P. Thermal hysteresis in inertial sensors //2020 IEEE 7th International Workshop on Metrology for AeroSpace (MetroAeroSpace). -IEEE, 2020. - C. 54-59.

69. Jena S., Pandey C., Gupta A. Mathematical modeling of different diaphragm geometries in MEMS pressure sensor //Materials Today: Proceedings. -2021. - T. 44. - C. 1243-1248.

70. Mehmood Z., Haneef I., Udrea F. Material selection for optimum design of MEMS pressure sensors //Microsystem Technologies. - 2020. - T. 26. - №. 9. - C. 2751-2766.

71. Basov M. Ultra-high sensitivity MEMS pressure sensor utilizing bipolar junction transistor for pressures ranging from- 1 to 1 kPa //IEEE Sensors Journal. -2020. - T. 21. - №. 4. - C. 4357-4364.

72. Basov M. High-sensitivity MEMS pressure sensor utilizing bipolar junction transistor with temperature compensation //Sensors and Actuators A: Physical. - 2020.

- T. 303. - C. 111705.

73. Garg M., Singh P., Chiu Y. Nanogap CMOS-MEMS Pirani Gauge Based on Titanium-Nitride Heating Element for Broad-Range Vacuum Characterization //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2023.

74. Jang M., Yun K. S. MEMS capacitive pressure sensor monolithically integrated with CMOS readout circuit by using post CMOS processes //Micro and Nano Systems Letters. - 2017. - T. 5. - C. 1-5.

75. Lin W. C. et al. Sensitivity improvement for CMOS-MEMS capacitive pressure sensor using double deformarle diaphragms with trenches //2017 19th

International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS). - IEEE, 2017. - C. 782-785.

76. Basov M. Schottky diode temperature sensor for pressure sensor //Sensors and Actuators A: Physical. - 2021. - T. 331. - C. 112930.

77. S. Armbruster et al., "A novel micromachining process for the fabri cation of monocrystalline Si-membranes using porous silicon," in Proc. 12th Int. Conf. SolidState Sensors, Actuators Microsyst., 2003, pp. 246-249.

78. M. A. Schmidt, "Wafer-to-wafer bonding for microstructure formation," Proc. IEEE, vol. 86, no. 8, pp. 1575-1585, Aug. 1998.

79. Niu Z., Zhao Y., Tian B. Design optimization of high pressure and high temperature piezoresistive pressure sensor for high sensitivity //Review of Scientific Instruments. - 2014. - T. 85. - №. 1.

80. Yu X. et al. Interface circuit design and implementation for MEMS pressure sensor in tire pressure monitoring system //2012 IEEE 11th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. - IEEE, 2012. - C. 1-3.

81. Yao Z. et al. A high-temperature piezoresistive pressure sensor with an integrated signal-conditioning circuit //Sensors. - 2016. - T. 16. - №. 6. - C. 913.

82. Ali I. et al. A highly accurate, polynomial-based digital temperature compensation for piezoresistive pressure sensor in 180 nm CMOS technology //Sensors.

- 2020. - T. 20. - №. 18. - C. 5256.

83. Kishore K. et al. CCII based current signal interface for piezoresistive pressure sensor //2018 15th IEEE India Council International Conference (INDICON).

- IEEE, 2018. - C. 1-5.

84. Ahmed M., Mohamad S., Bermak A. A power-efficient current-feedback instrumentation amplifier for precision bridge readout //2015 IEEE International Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC). - IEEE, 2015. - C. 555-558.

85. U. Cini and E. Arslan, "A high gain and low-offset current-mode instrumentation amplifier using differential difference current conveyors," in Proc. IEEE Int. Conf. Electron., Circuits, Syst. (ICECS), Dec. 2015, pp. 69-72.

86. Pham X. T. et al. A 0.6-^W chopper amplifier using a noise-efficient DC servo loop and squeezed-inverter stage for power-efficient biopotential sensing //Sensors. - 2020. - T. 20. - №. 7. - C. 2059.

87. Sun P. et al. A novel capacitively-coupled instrumentation amplifier employing chopping and auto-zeroing //2012 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems. - IEEE, 2012. - C. 156-159.

88. Montiel-Nelson J. A. et al. Digital output MEMS pressure sensor using capacitance-to-time converter //Design of Circuits and Integrated Systems. - IEEE, 2014. - C. 1-4.

89. Beriain A. et al. A very low power 7.9 bit MEMS pressure sensor suitable for batteryless RFID applications //2014 IEEE 57th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). - IEEE, 2014. - C. 378-381.

90. Van Rethy J., Gielen G. An energy-efficient capacitance-controlled oscillator-based sensor interface for MEMS sensors //2013 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC). - IEEE, 2013. - C. 405-408.

91. Zhang T. T. et al. Nano-watt class energy-efficient capacitive sensor interface with on-chip temperature drift compensation //IEEE Sensors Journal. - 2018. -T. 18. - №. 7. - C. 2870-2882.

92. Arefin M. S., Redouté J. M., Yuce M. R. Integration of low-power ASIC and MEMS sensors for monitoring gastrointestinal tract using a wireless capsule system //IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics. - 2017. - T. 22. - №. 1. - C. 8797.

93. Ghanbari M. M., Tsai J. M., Gambini S. An energy-efficient heterogeneously-integrated capacitive pressure sensing system //2015 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS). - IEEE, 2015. - C. 1-4.

94. George A. K. et al. CMOS-MEMS capacitive sensors for intra-cranial pressure monitoring: Sensor fabrication & system design //2012 International SoC Design Conference (ISOCC). - IEEE, 2012. - C. 375-378.

95. Arefin M. S., Redouté J. M., Yuce M. R. A low-power and wide-range MEMS capacitive sensors interface IC using pulse-width modulation for biomedical applications //IEEE Sensors Journal. - 2016. - Т. 16. - №. 17. - С. 6745-6754.

96. Nessler S. et al. A capacitive readout circuit for a disposable low-cost pressure and flow sensor with 200 Pa or 170 nl/s resolution //2019 IEEE SENSORS. -IEEE, 2019. - С. 1-4.

97. Fatema A. et al. A combined capacitance and resistance digital readout circuit for sensory nodes //2021 IEEE Sensors. - IEEE, 2021. - С. 1-4.

98. Tulaev A.T., Styazhkina A.V., Kozlov A.S., Belyaev Ya.V. Micromechanical sensors design method based on system-level modeling // Computing, Telecommunications and Control. 2021. Vol. 14. No. 2. Pp. 79-92. DOI: 10.18721/JCSTCS.14206.

99. Schröpfer G. et al. MEMS system-level modeling and simulation in smart systems //Smart Systems Integration and Simulation. - 2016. - С. 145-168.

100. Galisson G. et al. Model-based Systems Engineering methodology for defining multi-physics simulation models //2022 IEEE International Systems Conference (SysCon). - IEEE, 2022. - С. 1-8.

101. Пешехонов В. Г. Перспективы развития гироскопии //Гироскопия и навигация. - 2020. - Т. 28. - №. 2. - С. 109.

102. SWaP-C Glossary «Advanced Navigation» - URL: https://www.advancednavigation.com/glossary/swap-c/ (Дата обращения 03.03.2025)

103. Alshahry S. M. et al. A size, weight, power, and cost-efficient 32-channel time to digital converter using a novel wave union method //Sensors. - 2023. - Т. 23. -№. 14. - С. 6621.

104. Jones K. H., Gross J. N. Reducing size, weight, and power (SWaP) of perception systems in small autonomous aerial systems //14th AIAA Aviation Technology, Integration, and Operations Conference. - 2014. - С. 2705.

105. Scherber D. et al. Coherent distributed techniques for tactical radio networks: Enabling long range communications with reduced size, weight, power and

cost //MILCOM 2013-2013 IEEE Military Communications Conference. - IEEE, 2013. - С. 655-660.

106. Vicente R. et al. Impacts of laser cooling for low earth orbit observation satellites: An analysis in terms of size, weight and power //Cryogenics. - 2020. - Т. 105. - С. 103000

107. Panigrahi N., Panigrahi S. S. Processing data acquired by a drone using a GIS: designing a size-, weight-, and power-constrained system //IEEE Consumer Electronics Magazine. - 2018. - Т. 7. - №. 2. - С. 50-54.

108. Унтилов А. А., Драницына Е. В., Егоров Д. А. Современное состояние и перспективы развития волоконно-оптических гироскопов //XXX Юбилейная Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - 2023. - С. 426-430.

109. Баженов Н. Г., Филина О. А., Ермакова Е. Ю. Принцип определения ориентирных направлений с помощью вибрационных гироскопов //Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала СО Макарова. - 2017. - №. 5 (45). - С. 1104-1112.

110. Sinelnikov A. O. et al. State-of-the-Art and Development Trends of Inertial Navigation Systems Based on the Ring Laser Gyroscopes //Photonics Russia. -2024. - Т. 18. - №. 6. - С. 450-466.

111. Rombach S. et al. Development of a MEMS IMU with optimized SWaP-C //2023 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS). - IEEE, 2023. - С. 1-15.

112. Kester W., Understand SINAD,ENOB,SNR,THD,THD+N and SFDR so you don't get lost in the noise floor" Analog devices, 2007. - URL: https://www.analog.com/media/en/trainingseminars/tutorials/MT-003.pdf (Дата обращения 16.02.2025)

113. Allegro Microsystems A17700 - Pressure Sensor Interface and Signal Conditioning IC with Polynomial Signal Compensation and Advanced Diagnostics Datasheet. - URL: https://www.allegromicro.com/en/products/sense/interface/sensor-interface/a17700 (Дата обращения 16.02.2025)

114. You D. et al. Low-noise multimodal reconfigurable sensor readout circuit for voltage/current/resistive/capacitive microsensors //Applied Sciences. - 2020. - Т. 10. - №. 1. - С. 348

115. Park K. et al. A reconfigurable readout integrated circuit for heterogeneous display-based multi-sensor systems //Sensors. - 2017. - Т. 17. - №. 4. - С. 759.

116. Huang Y. J. et al. A self-powered CMOS reconfigurable multi-sensor SoC for biomedical applications //IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2014. - Т. 49. - №. 4. - С. 851-866.

117. Chi Q. et al. A reconfigurable smart sensor interface for industrial WSN in IoT environment //IEEE transactions on industrial informatics. - 2014. - Т. 10. - №. 2. - С. 1417-1425.

118. Smith C. S. Piezoresistance effect in germanium and silicon //Physical review. - 1954. - Т. 94. - №. 1. - С. 42.

119. Barlian A. A. et al. Semiconductor piezoresistance for microsystems //Proceedings of the IEEE. - 2009. - Т. 97. - №. 3. - С. 513-552.

120. Bruel M., inventor; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA, assignee. Process for the production of thin semiconductor material films. United States patent US 5,374,564 A. 1992 Sep 15.

121. COMSOL Multiphysics MEMS Material Database - URL: https://doc.comsol.com/5.5/doc/com.comsol.help.comsol/comsol_ref_materials.16.57.ht ml (Дата обращения 16.02.2025)

122. Sylwestrowicz W. D. Mechanical properties of single crystals of silicon //Philosophical Magazine. - 1962. - Т. 7. - №. 83. - С. 1825-1845.

123. Nam K. et al. A Four-Channel Low-noise readout IC for air flow measurement using hot wire anemometer in 0.18 ^m CMOS technology //Sensors. -2021. - Т. 21. - №. 14. - С. 4694.

124. Tulaev A. et al. System Level Simulation of MEMS Pressure Sensor //2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). -IEEE, 2023. - С. 140-143.

125. Charbon E. et al. (ed.). Substrate noise: analysis and optimization for IC design. - Springer Science & Business Media, 2007.

126. Schmid H. Offset, flicker noise, and ways to deal with them //Circuits at the Nanoscale. - CRC Press, 2018. - С. 95-115.

127. Korotkov A.S. Switched capacitor filter designs: tutorial/ A.S. Korotkov. -SPb. : Polytechnic University Publishing House, 2014. - 191 p.

128. Behera K. C., Santosh M., Bose S. C. A low-power 12-bit SAR ADC for remote pressure measurement //Analog Integrated Circuits and Signal Processing. -2016. - Т. 86. - С. 99-114.

129. Samadpoor Rikan B. et al. A sigma-delta ADC for signal conditioning IC of automotive piezo-resistive pressure sensors with over 80 dB SNR //Sensors. - 2018. - Т. 18. - №. 12. - С. 4199.

130. Разработка каскадного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя / А. С. Козлов, А. Т. Тулаев, Д. В. Костыгов, Я. В. Беляев // Навигация и управление движением : Материалы XXIV конференции молодых ученых с международным участием, Санкт-Петербург, 15-18 марта 2022 года. -Санкт-Петербург: "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор", 2022. - С. 68-70. - EDN GEMFHW.

131. Medeiro F. et al. Fourth-order cascade SC DA modulators: a comparative study. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. - 1998. - Т. 45. - №. 10. - С. 1041-1051.

132. Koppula R.M.R., Balagopa S., Saxena V. Efficient Design and Synthesis of Decimation Filters for Wideband Delta- Sigma ADCs. 2011 IEEE International SOC Conference. - IEEE, 2011. - C. 380-385.

133. Kozlov A. S., Pilipko M. M. A Second-order Sigma-delta Modulator with a Hybrid Topology in 180nm CMOS //2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). - IEEE, 2020. - С. 144-146.

134. Pavan S., Schreier R., Temes G. C. Understanding delta-sigma data converters. - John Wiley & Sons, 2017.

135. Cho J., Kim J., Lee I. A Chopper-CDS Amplifier //URL: http://www. eecs. umich. edu/courses/eecs522/w11/project/group3report. pdf.

136. Assim A. A., Balashov E. Dynamic Offset Compensated Operational Amplifiers //Authorea Preprints. - 2023.

137. Y. Kwon et al., "Fully differential chopper-stabilized multipath current-feedback instrumentation amplifier with R-2R DAC offset adjustment for resistive bridge sensors," Appl. Sci., vol. 10, no. 1, 2019, Art. no. 63

138. H. Thompson, M. Hufford, W. Evans, and E. Naviasky, "A lowvoltage low-power sigma-delta modulator with improved performance in overload condition," in Proceedings of the IEEE 2004 Custom Integrated Circuits Conference (IEEE Cat. No. 04CH37571), 2004, pp. 519-522

139. Tulaev A., Loboda V., Belyaev Y. System Level IC Analog Processing Design For Piezoresistive MEMS Pressure Sensor //2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). - IEEE, 2024. - C. 414-417.

140. Tran A. V., Zhang X., Zhu B. Effects of temperature and residual stresses on the output characteristics of a piezoresistive pressure sensor //IEEE Access. - 2019. - T. 7. - C. 27668-27676.

141. Hurrah N. N. et al. Oversampled Sigma Delta ADC Decimation Filter: Design Techniques, Challenges, Tradeoffs and Optimization. 2015 2nd International Conference on Recent Advances in Engineering & Computational Sciences (RAECS). -IEEE, 2015. - C. 1-6.

142. Lyons R. G. Understanding digital signal processing, 3/E. - Pearson Education India, 1997.

143. Lyons R. G. Streamlining digital signal processing. - New Jersey : wiley,

2012.

144. Hurrah N. N. et al. Oversampled Sigma Delta ADC decimation filter: Design techniques, challenges, tradeoffs and optimization //2015 2nd International Conference on Recent Advances in Engineering & Computational Sciences (RAECS). -IEEE, 2015. - C. 1-6.

145. Abbas M., Gustafsson O., Wanhammar L. Power estimation of recursive and non-recursive CIC filters implemented in deep-submicron technology //The 2010 International Conference on Green Circuits and Systems. - IEEE, 2010. - С. 221-225.

146. Koppula R.M.R., Balagopal S., Saxena V. Efficient design and synthesis of decimation filters for wideband delta-sigma ADCs // 2011 IEEE International SOC Conference. - IEEE, 2011. - C. 380-385.

147. Ye M., Liu Z., Zhao Y. Design of a Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter Cascade Decimation Filter //Electronics. - 2024. - Т. 13. - №. 11. - С. 2090.

148. He Z. et al. Low power and high speed designs of cic filter for sigma-delta adcs //2022 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS). - IEEE, 2022. - С. 236-240.

149. Karnati N. R. A Power Efficient Polyphase Sharpened CIC Decimation Filter for Sigma-Delta ADCs : дис. - University of Akron, 2011.

150. Lyons R. A Beginner's Guide To Cascaded Integrator-Comb (CIC) Filters //dsprelated. com, Mar. - 2020. - Т. 26.

151. Harris F. J. Multirate signal processing for communication systems. - River Publishers, 2022.

152. Mitra S. K. Digital signal processing: a computer-based approach. -McGraw-Hill Higher Education, 2001.

153. Parks T. W., Burrus C. S. Digital filter design. - Wiley-Interscience, 1987.

154. Rabiner L. R., McClellan J. H., Parks T. W. FIR digital filter design techniques using weighted Chebyshev approximation //Proceedings of the IEEE. -1975. - Т. 63. - №. 4. - С. 595-610.

155. MEMS Module COMSOL Multiphysics - URL: https://www.comsol.com/mems-module (Дата обращения 16.02.2025)

156. LiveLink for Matlab COMSOL Multiphysics - URL: https://www.comsol.com/livelink-for-matlab (Дата обращения 16.02.2025)

157. Kozlov A.S., Pilipko M.M., Tulaev A.T., Belyaev Ya.V. Design process of the MASH 2-2 sigma-delta modulator // Computing, Telecommunications and Control. 2024. Т. 17, № 4. С. 78-89. DOI: 10.18721/JCSTCS.17407

158. Pelgrom M. J. M., Duinmaijer A. C. J., Welbers A. P. G. Matching properties of MOS transistors //IEEE Journal of solid-state circuits. - 1989. - Т. 24. -№. 5. - С. 1433-1439.

159. Baker R. J. CMOS: circuit design, layout, and simulation. - John Wiley & Sons, 2019.

160. Razavi B. Fundamentals of microelectronics. - John Wiley & Sons, 2021.

161. Hastings A. The an of analog layout. - Prentice hall New Jersey, 2001.

162. Nayfeh A. H., Younis M. I., Abdel-Rahman E. M. Reduced-order models for MEMS applications //Nonlinear dynamics. - 2005. - Т. 41. - С. 211-236.

163. Mariani S. et al. Reduced order modelling of MEMS dynamics //2011 Symposium on Design, Test, Integration & Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP). -IEEE, 2011. - С. 53-58.

164. Денисенко В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро-и наноэлектронике. - Litres, 2022.

165. Lucia D. J., Beran P. S., Silva W. A. Reduced-order modeling: new approaches for computational physics //Progress in aerospace sciences. - 2004. - Т. 40. - №. 1-2. - С. 51-117.

166. Tulaev A. T., Loboda V. V. Parametric Extraction Method of Equivalent Circuit for SOI MEMS Pressure Sensors Rapid SPICE Simulation //IEEE Sensors Letters. - 2024.

167. Тулаев А.Т., Козлов А.С., Костыгов Д.В., Кузнецов К.П., Беляев Я.В. Топология интегральной микросхемы микромеханического датчика давления // Свидетельство о государственной регистрации топологии №2024630263 - 2024.

168. Tulaev A.T., Kozlov A.S., Kostygov D.V., et al. A micromechanical pressure sensor with reconfigurable ASIC // Computing, Telecommunications and Control. 2025. Т. 18, № 1. С. 98-110. DOI: 10.18721/JCSTCS.18108

169. Zhong L., Xu D., Lai X., Wang Y., Liao X., Fang Z. Precision improvement of power-efficient capacitive senor readout circuit using multi-nested clocks. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2020, Vol. 67, No. 8, Pp. 2578-2587. DOI: 10.1109/TCSI.2020.2979316