РФФИ 19-08-00807 А

Персоналии

  • Барулина Марина Александровна, д.ф.-м.н., зав. лабораторией анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Панкратов Владимир Михайлович д.т.н., г.н.с. лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Панкратова Елена Владимировна, к. ф.-м.н., в.н.с. лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Голиков Алексей Викторович, к.т.н., в.н.с. лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН;
  • Галкина Софья Алексеевна, научный сотрудник лаборатории анализа и синтеза динамических систем в прецизионной механике ИПТМУ РАН, аспирант.

Грантовая поддержка и исследований

Работа исследовательской группы поддержана проектом РФФИ № 19-08-00807А «Математические модели динамики компонентов нано- и микроэлектромеханических датчиков с учетом термо и электроупругости.»

Направления исследований

Развитие технологий микроэлектроники, методов селективного и сверхглубокого травления, трёхмерного формообразования привело к созданию микроэлектромеханических систем (МЭМС)-малогабаритных и дешёвых микромеханических устройств, выполненных с использованием технологий микроэлектронной промышленности.
К настоящему времени процессы и особенности функционирования МЭМС датчиков и устройств, имеющих микро размеры, достаточно хорошо изучены как в рамках классической механики деформируемого твердого тела, так и в рамках физики твердого тела, и с применением таких методов, как методы теории колебаний, методы расчета тепловых режимов, методы теории упругости и термоупругости, метода теории детерминированного хаоса и др. 
Но развитие МЭМС датчиков не стоит на месте. Как следует из анализа литературы, развитие МЭМС датчиков идет по нескольким направлениям:
1. Повышение эффективности датчиков инерциальной информации, приборов и систем на их основе улучшения конструкции самого датчика и прибора. 
2. Повышение эффективности с помощью компенсации влияния и взаимовлияния различных возмущающих факторов на характеристики прибора в поддерживающем программном обеспечении. 
3. В уменьшении размеров МЭМС датчиков и появлении нового класса устройств – нано-электромеханические датчики (НЭМС-датчики).
Первые два пункта могут быть достигнуты, в том числе, применением неклассических подходов к изучению динамики элементов МЭМС-датчиков, или более глубоким изучением влияния свойств материала на характеристики датчиков. 
При этом для НЭМС-датчиков, помимо специфических вопросов, обусловленных их нано размерами, остаются актуальными те же вопросы, что и для МЭМС-датчиков, например, влияние температуры, электрических и механических шумов, и т.д. В связи с малыми размерами НЭМС-датчиков, классические подходы к разрешению этих вопросов могут оказаться непригодными, но работ, посвященных исследованию динамики компонентов НЭМС-датчиков и учитывающих как тепловые воздействия, так и электростатические поля, в настоящее время недостаточно.

Научная значимость проекта


В результате работы должны быть построены в рамках неклассических теорий упругости математические модели деформации компонентов НЭНС и МЭМС датчиков в виде балки, прямоугольной и круглой пластин. Математические модели должны учитывать специфику исследования наноразмерных объектов, ортотропность или анизатропность материала датчика, связанные эффекты термо и электроупругости. 
В результате исследования построенных моделей будут полученны количественные и качественные характеристики, влияющие на параметры НЭМС и МЭМС датчиков. Будет исследована возможность возникновения явления детерминированного хаоса в выходном сигнале датчика.

Практическая ценность

Практическая значимость проекта заключается в том, что построенные математические модели и результаты их исследования будут способствовать более глубокому пониманию многообразных сложных физических явлений и процессов, имеющих место в НЭМС датчкиках. Что будет, в свою очередь, способоствовать созданию высокоточных НЭМС датчиков.

Цель работы и задачи

Целью работы является построение и исследование математических моделей движения компонентов нано- и микроэлектромеханических датчиков в условиях тепловых воздействий методами неклассических теорий и методов.

Для достижения поставленной цели должны быть поставлены и решены следующие задачи:
1. Построение в рамках неклассических теорий упругости математических моделей деформации элементов НЭМС и МЭМС датчиков в виде балки, прямоугольной и круглой пластин. Математические модели должны учитывать ортотропность материала датчика, эффекты термо и электроупругости. 
2. Численное исследование построенных математических моделей. Выявление параметров, при которых возможно возникновение явления детерминированного хаоса в выходном сигнале датчика.

Апробация результатов

Публикации

  • Barulina, M.; Markelova, Mathematical proof why crystallographic plane (111) is better for microelectromechanical sensors sensing elements. International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM (30 June – 6 July, 2019). In Proceedings . 2019. Vol. 19. Book. 6.1. pp. 229-236 – Scopus
  • Барулина М.А. Уравнения движения чувствительного элемента НЭМС -датчика как прямоугольной размерно-зависимой нано-пластины. Нано и микро системная техника. Отослано в редакцию. WoS, ВАК.
  • Barulina, M., Golikov, A., Galkina S. Dynamics of sensing element of micro- and nanoelectromechanical sensors as anisotropic size-dependent plate. В печати. Scopus.

Конференции

  • 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019 (28 Июнь 2019 – 7 Июль 2019, Albena, Болгария). Доклад на пленарной сессии по теме Mathematical proof why crystallographic plane (111) is better for microelectromechanical sensors sensing elements. Авторы – Барулина М.А., Маркелова О.В. Публикация в трудах конференции, индексирумых в Scopus.
  • Международная конференция 15th International conference Dynamical Systems Theory and Applications (Декабрь 2-5, 2019, Łódź, Польша). Доклад на пленарной сессии по теме Dynamics of sensing element of micro- and nanoelectromechanical sensors as anisotropic size-dependent plate. Авторы Барулина М.А., Голиков А.В., Галкина С.А.