П.С. Кузнецов1, А.О. Синельников2, Э.Х. Гутьеррес Бенавидес3

1 АО «ГосНИИП» (Москва, Россия)
2, 3 Российский университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы (Москва, Россия)
 1 ps_kuznetsov@mail.ru, 2 sinelnikov-ao@rudn.ru, 3 estebangutierrezrusia@gmail.com

Постановка проблемы. Кремний, традиционно применяемый в полупроводниковой электронике, является ключевым элементом в разработке чувствительных элементов для бортового оборудования космических аппаратов. Однако отсутствие четких нормативов по его механическим характеристикам создает сложности при трехмерном математическом моделировании и проектировании микросистем. В этой связи становится необходимым исследование методов измерения модулей упругости кремния, что позволит улучшить точность и надежность микромеханических датчиков. Кроме того, надо учитывать микроразмеры упругих элементов, которые осуществляют соответствующие перемещения.

Цель. Провести анализ методов измерения механических характеристик кремния для повышения эффективности проектирования и надежности микромеханических систем, используемых в космических аппаратах.

Результаты. В ходе исследования современных методов измерения механических характеристик кремния, применяемого в микромеханических датчиках для космических аппаратов, было установлено, что выбор метода измерения непосредственно влияет на точность и надежность данных, используемых для проектирования высококачественных микросистем. Отмечено, что статические методы, несмотря на свою простоту и доступность, могут не всегда обеспечивать необходимую точность в условиях изменяющихся нагрузок и температур. Показано, что динамические методы, включая резонансные и импульсные подходы, демонстрируют более высокую чувствительность и могут быть предпочтительными для сложных приложений в космосе.

Практическая значимость. По результатам анализа методов измерения механических характеристик кремния установлено, что ни один из методов не может быть универсальным, и их выбор должен основываться на конкретных требованиях проекта и условиях эксплуатации. Важно также учитывать влияние механических характеристик на долговечность и стабильность работы микромеханических датчиков в экстремальных условиях космического пространства.

Кузнецов П.С., Синельников А.О., Гутьеррес Бенавидес Э.Х. Анализ способов измерения механических свойств кремния в космической электронике // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2025. Т. 17. № 1. С. 45–55. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202501-05

1. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учебник для вузов / Под. ред. А.В. Александрова. Изд. 3-е, испр. М.: Высшая школа. 2003. 560 с.
2. Баженов В.Г., Богдан Г.А., Кравченко М.В. Цифровая система измерения фазовых сдвигов радиоимпульсных сигналов // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4 (46). https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.46.195.
3. Болотнов С.А., Назаров С.И., Синельников А.О. и др. Анализ погрешностей лазерных гироскопов при активной стабилизации периметра // Гироскопия и навигация. 2024. Т. 32. № 3(126). С. 3–20.
4. Введение в COMSOL Multiphysics. [Электронный ресурс]. URL: https://cdn.comsol.com/doc/5.4/Introduction ToCOMSOL Multiphysics.ru_RU.pdf (дата обращения: 06.04.2024)
5. ГОСТ 19658-81. Кремний монокристаллический в слитках. Технические условия [Текст] = Monocrystalline silicon in ingots. Specifications: государственный стандарт Союза ССР: издание официальное: введен Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27.02.81 № 1090: взамен ГОСТ 19658-74: введен 01.01.83.
6. Кузнецов А.С. Конечно-элементное моделирование авиационных конструкций в программном комплексе MSC NASTRAN: метод. указания / Сост. А.С. Кузнецов и др. Самара: Изд-во Самарского гос. аэрокосм. ун-та. 2010. 69 с.
7. Кузнецов П.С. Вопросы и перспективы развития мехатроники и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника. 2024. Т. 26. № 4. С. 159–169. https://doi.org/10.17587/nmst.25.159-169.
8. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Кузнецов П.С., Слепцов В.В. Информационные технологии проектирования в микро- и наноинженерии: Учеб. пособие. В 3-х томах. Том 2. Ивантеевка Мос. обл.: Изд-во НИИ предельных технологий. 2014. 223 с.
9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости: учеб. пособие для вузов / Под ред. Л.П. Питаевского. Изд. 5-е, стер. М.: Физматлит. 2001. 262 с.
10. Синельников А.О., Запотылько Н.Р., Зубарев Я.А., Катков А.А. Особенности применения ситалла СО-115М при изготовлении оптических деталей кольцевых He-Ne-лазеров // Стекло и керамика. 2023. Т. 96. № 5(1145). С. 3–13. DOI 10.14489/glc. 2023.05.pp.003-013.
11. Старостина Ж.А., Морозов Р.В. Расчет конструкций методом конечных элементов с использованием приложения APM FEM: Учеб.-метод. пособие. М.: МАДИ. 2022. 100 с.
12. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз. 1960–1965. В 2 т. Т. 1: Элементарная теория и задачи. 1960. 379 с.
13. Шкловец А.О. Работа в CAE-пакете ANSYS MECHANICAL: конструкционный анализ методом конечных элементов: Метод. указания / Сост.: А.О. Шкловец, В.С. Мелентьев. Самара: Изд-во Самарского ун-та. 2018. 76 с.
14. Çetinkaya M.B., İşci M. ANSYS based analysis of multi-level parabolic leaf spring systems. Alexandria Engineering Journal. 2023. V. 73. P. 109–121. DOI: 10.1016/j.aej.2023.04.043.
15. Coelho C., Machado Jr G., Cabral J., Rocha L. MEMS resonators with electrostatic actuation and piezoresistive readout for sensing applications. Micro and Nano Engineering. 2022. V. 16. P. 1–10. DOI: 10.1016/j.mne.2022.100158.
16. Dean J., Campbell J., Aldrich-Smith G., Clyne T.W. A critical assessment of the “stable indenter velocity” method for obtaining the creep stress exponent from indentation data. Acta Materialia. 2014. V. 80. P. 56–66. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.07.054.
17. Degroot A., MacDonald R., Richoux O., Gazengel B., Campbell M. Suitability of laser Doppler velocimetry for the calibration of pressure microphones. Applied Acoustics. 2008. V. 69. P. 1308–1317. DOI: 10.1016/j.apacoust.2007.09.003.
18. Del Priore E, Lampani L. A methodology for applying isogeometric inverse finite element method to the shape sensing of stiffened thin-shell structures. Thin–Walled Structures. 2024. V. 199. P. 1–13. DOI: 10.1016/j.tws.2024.111837.
19. Du J., Whittle A.J., Hu L., Divoux,T., Meegoda J.N. Characterization of meso-scale mechanical properties of Longmaxi shale using grid microindentation experiments. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2021. V. 13. P. 555–567. DOI:10.1016/j.jrmge.2020.09.009.
20. Dubrov M.N. Laser Feedback and New Principle of Heterodyne Interferometry. Proc. of the 8-th IEEE International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. 2006. P. 92–95. DOI: 10.1109/LFNM.2006.251989.
21. Gao T., Liao Q., Si W., Chu Y., Dong H., Li Y., Liao Y., Qin L. From fundamentals to future challenges for flexible piezoelectric actuators. Cell Reports Physical Science. 2024. V. 5. P. 1–30. DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101789.
22. Gonzalez-Velazquez J.L. Chapter 5 – Fracture resistance of engineering materials. González-Velázquez, Jorge Luis. A Practical Approach to Fracture Mechanics. Elsevier. 2021. P. 145–176. DOI: 10.1016/B978-0-12-823020-6.00005-0.
23. Пластины монокристаллического кремния. URL: https://www.protehnology.ru/plastiny-monokristallicheskogo-kremniya (дата обращения: 06.04.2024).
24. Ji G., Huber J. Planar piezoelectric metamaterials: Sound transmission and applicable frequency range in oblique incidence. International Journal of Solids and Structures. 2024. V. 289. P. 1–19. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2023.112640.
25. Karabutov A.A., Podymova N.B. Study on the subsurface damage depth in machined silicon wafers by the laser-ultrasonic method. Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation. 2014. V. 1. P. 7–12. DOI: 10.1016/j.csndt.2014.03.002.
26. Li Z., Deng L., Kinloch I. A., Young R.J. Raman spectroscopy of carbon materials and their composites: Graphene, nanotubes and fibres. Progress in Materials Science. 2023. V. 135. P. 1–58. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2023.101089.
27. Liang X., Qian X., Li W., Wang W., Liu Z. Absolute distance measurement without dead zone based on dual-channel dispersive interferometry using the femtosecond laser. Optics and Lasers in Engineering. 2025. V. 184. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2024.108603.
28. Marola S., Bosia S., Veltro A., Fiore G., Manfredi D., Lombardi M., Amato G., Baricco M., Battezzati L. Residual stresses in additively manufactured AlSi10Mg: Raman spectroscopy and X-ray diffraction analysis. Materials and Design. 2021. V. 202. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109550.
29. Mikhaltsevitch V., Lebedev M., Pevzner R., Yurikov A., Tertyshnikov K. Low-frequency laboratory measurements of the elastic properties of solids using a distributed acoustic sensing system. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2023. V. 15. P. 2330–2338. DOI: 10.1016/j.jrmge.2023.05.002.
30. Nozato H., Shimoda T., Kokuyama W. Dependence of frequency response on different velocity sensitivities of laser Doppler vibrometer. Measurement: Sensors. 2021. V. 18. P. 1–4. DOI: 10.1016/j.measen.2021.100301.
31. Onyeagba C.R., Valashani M., Wang H., Brown C., Yarlagadda P., Tesfamichael T. Nanomechanical surface properties of co-sputtered thin film polymorphic metallic glasses based on Ti-Fe-Cu, Zr-Fe-Al, and Zr-W-Cu. Surfaces and Interfaces. 2023. V. 40. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.surfin.2023.103090.
32. Podulka P., Macek W., Rozumek D., Zak K., Branco R. Topography measurement methods evaluation for entire bending-fatigued fracture surfaces of specimens obtained by explosive welding. Measurement. 2024. V. 224. P. 1–22. DOI: 10.1016/j.measurement. 2023.113853.
33. Qi Y., Hu D., Zheng M., Jiang Y., Chen Y. P. Deep learning assisted Raman spectroscopy for rapid identification of 2D materials. Applied Materials Today. 2024. V. 41. DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102499.
34. SenGupta G. Chapter 8 – Combination of the Finite Element Method (FEM) and the Periodic Structure (PS) theory. Gautam SenGupta. Vibration of Periodic Structures. Elsevier. 2024. P. 107–128. DOI: 10.1016/B978-0-32-399022-6.00014-X.
35. Signore M.A., Francioso L., De Pascali C., Serra A., Mann D., Rescio G., Quaranta F., Melissano E., Velardi L. Improvement of the piezoelectric response of AlN thin films through the evaluation of the contact surface potential by piezoresponse force microscopy. Vacuum. 2023. V. 218. P. 1–10. DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112596.
36. Taurino R., Bolelli G., Messi P., Iseppi R., Borgioli F., Galvanetto E., Caporali S. Investigation of chemical, physical and mechanical properties of hybrid chitosan-silica based coatings for aluminium substrate. Surface and Coatings Technology. 2024. V. 493. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131265.
37. Vavro Jr., J., Vavro J., Kováčiková P., Bezdedová R. Kinematic and dynamic analysis of planar mechanisms by means of the SolidWorks software. Procedia Engineering. 2017. V. 177. P. 476–481. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.02.248.
38. Wei Z., Wu Y., Zhu S., Long W., Wang X., Cheng J., Hong S. Effects of plastic deformation ability and fluid medium on the cavitation erosion behavior of carbon nanotube reinforced cermet coatings. Tribology International. 2024. V. 196. DOI: 10.1016/j.triboint. 2024.109655.
39. Wolfer M., Giesen M., Heilig M., Seyfried V., Winter M. Characterization of the dynamics of encapsulated silicon MEMS devices using low-coherence heterodyne LDV technology. Micro and Nano Engineering. 2023. V. 19. P. 1–7. DOI: 10.1016/j.mne.2023. 100191.
40. Xue B., Brousseau E., Bowen C. Modelling of a shear-type piezoelectric actuator for AFM-based vibration-assisted nanomachining. International Journal of Mechanical Sciences. 2023. V. 243. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.108048.
41. Yang X. Chapter Eight – Finite element methods. Xin-She Yang, Engineering Simulation and its Applications. Academic Press. 2024. P. 99–115. DOI: 10.1016/B978-0-44-314084-6.00015-2.
42. Zhang B., Bottenus N., Jin F.Q., Nightingale K.R. Quantifying the Impact of Imaging Through Body Walls on Shear Wave Elasticity Measurements. Ultrasound in Medicine & Biology. 2023. V. 49. P. 234–249. DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2022.10.005.
43. Zhao Y., Chen Y., Ye L. A non-contact inspection method of tile debonding using tuned acoustic wave and laser doppler vibrometer. Journal of Sound and Vibration. 2023. V. 564. DOI: 10.1016/j.jsv.2023.117875.