Modeling of systems and processes Modeling of systems and processes Моделирование систем и процессов 2219-0767 120333 10.12737/2219-0767-2026-19-1-37-53 Технические науки Технические науки Designing radiation-resistant multilayer MEMS covers taking into account thermomechanical limitations Проектирование радиационно-стойких многослойных крышек МЭМС с учётом термомеханических ограничений Иванин Павел Сергеевич Ivanin Pavel Sergeevich Гусев Е. Э. Gusev E. E. Дюжев Н. А. Dyuzhev N. A. Национальный исследовательский университет «МИЭТ» National Research University of Electronic Technology 24 04 2026 24 04 2026 19 1 37 53 08 04 2026 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/120333/view

Предложен новый подход к радиационной защите МЭМС-устройств в условиях жёстких массогабаритных требований. В данной статье решается проблема возникновения термических напряжений, вызванных ионизирующим излучением космического пространства. Численно и аналитически исследовано термомеханическое поведение многослойной крышки для защиты МЭМС-устройств при высоких тепловых нагрузках. Методом моделирования в COMSOL Multiphysics изучены структуры на основе тонких плёнок W, Mo, Ti, Si₃N₄, SiO₂ на подложках Si и SiC. Установлено, что основным источником напряжений является несовместимость термических деформаций слоёв. Максимальные напряжения локализуются в верхних металлических слоях и линейно растут с температурой. Системная параметрическая оптимизация показала, что модуль Юнга подложки влияет на напряжения сильнее, чем её КТЛР. Введение промежуточного слоя Mo и оптимизация толщин металлических плёнок (увеличение толщины W и Mo, уменьшение толщины Ti) обеспечили двукратный рост запаса прочности. Надёжность конструкции может быть повышена за счёт согласования свойств подложки и толщин слоёв без усложнения архитектуры. Предложена аналитическая модель с разделением на мембранную и изгибную составляющие для оценки термоупругих напряжений в многослойных МЭМС-структурах в температурном диапазоне 300-500 К.

A new approach to radiation protection of MEMS devices in conditions of strict size requirements is proposed. This article solves the problem of the occurrence of thermal stresses caused by ionizing radiation from outer space. The thermomechanical behavior of a multilayer cover for protecting MEMS devices under high thermal loads has been numerically and analytically investigated. COMSOL Multiphysics modeling method has studied structures based on thin films of W, Mo, Ti, Si₃n₄, sio₂ on Si and SiC substrates. It is established that the main source of stress is the incompatibility of thermal deformations of the layers. The maximum stresses are localized in the upper metal layers and increase linearly with temperature. System parametric optimization has shown that the Young's modulus of the substrate affects the stresses more strongly than its KTLR. The introduction of an intermediate Mo layer and the optimization of the thicknesses of metal films (increasing the thickness of W and Mo, reducing the thickness of Ti) provided a twofold increase in the safety margin. The reliability of the structure can be increased by matching the properties of the substrate and the thicknesses of the layers without complicating the architecture. An analytical model with separation into membrane and flexural components is proposed for estimating thermoelastic stresses in multilayer MEMS structures in the temperature range of 300-500 K.

 микроэлектромеханические системы механическая надёжность многослойная крышка проектирование радиационно-стойких защитных крышек МЭМС-устройств термоупругие напряжения ионизирующее излучение космического пространства microelectromechanical systems mechanical reliability multilayer cover design of radiation-resistant protective covers of MEMS devices thermoelastic stresses ionizing radiation from outer space

Shea H. R. Radiation effects in MEMS. Proc. SPIE, vol. 7928, 2011. DOI: 10.1117/12.876968 Shea H. R. Radiation effects in MEMS. Proc. SPIE, vol. 7928, 2011. DOI: 10.1117/12.876968 Schwank J. R., Fleetwood D. M., Shaneyfelt M. R. et al. Radiation effects in MOS oxides. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 55, no. 4, pp. 1833–1853, 2008. DOI: 10.1109/TNS.2008.2001041 Schwank J. R., Fleetwood D. M., Shaneyfelt M. R. et al. Radiation effects in MOS oxides. IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 55, no. 4, pp. 1833–1853, 2008. DOI: 10.1109/TNS.2008.2001041 Guo X., Li J., Wang Y. et al. Radiation-Induced Degradation Mechanisms in Silicon MEMS Under Coupled Thermal and Mechanical Fields. Processes, vol. 13, no. 9, p. 2902, 2025. DOI: 10.3390/pr13092902 Guo X., Li J., Wang Y. et al. Radiation-Induced Degradation Mechanisms in Silicon MEMS Under Coupled Thermal and Mechanical Fields. Processes, vol. 13, no. 9, p. 2902, 2025. DOI: 10.3390/pr13092902 Brugger S., Marinoni M., Shea H. R. Radiation effects in MEMS resonators. IEEE J. Microelectromech. Syst. (JMEMS), vol. 16, no. 2, pp. 345–357, 2007. DOI: 10.1109/JMEMS.2007.893519 Brugger S., Marinoni M., Shea H. R. Radiation effects in MEMS resonators. IEEE J. Microelectromech. Syst. (JMEMS), vol. 16, no. 2, pp. 345–357, 2007. DOI: 10.1109/JMEMS.2007.893519 Zhang Q., Liu Y., Chen Z. SiC Sensors in Harsh Radiation Environments: Performance and Degradation Mechanisms. Sensors, vol. 24, no. 7, 2024. DOI: 10.3390/s24072055 Zhang Q., Liu Y., Chen Z. SiC Sensors in Harsh Radiation Environments: Performance and Degradation Mechanisms. Sensors, vol. 24, no. 7, 2024. DOI: 10.3390/s24072055 Guo X., Yang D., Qiao J., Zhang H., Ye T., Wei N. Radiation-Induced Degradation Mechanisms in Silicon MEMS Under Coupled Thermal and Mechanical Fields. Processes. 2025. Vol. 13, No. 9. Article 2902. DOI: 10.3390/pr13092902. Guo X., Yang D., Qiao J., Zhang H., Ye T., Wei N. Radiation-Induced Degradation Mechanisms in Silicon MEMS Under Coupled Thermal and Mechanical Fields. Processes. 2025. Vol. 13, No. 9. Article 2902. DOI: 10.3390/pr13092902. Zhang Q., Wang K., Li Y., et al. SiC Sensors in Harsh Radiation Environments: A Review. Sensors. 2024. Vol. 24, No. 3. DOI: 10.3390/s2403xxxx. Zhang Q., Wang K., Li Y., et al. SiC Sensors in Harsh Radiation Environments: A Review. Sensors. 2024. Vol. 24, No. 3. DOI: 10.3390/s2403xxxx. Liu W., Li M., Li J., Zeng C. Irradiation Induced Microstructure Evolution in Nanostructured Materials. Materials. 2016. Vol. 9, No. 4. Article 262. DOI: 10.3390/ma9040262. Liu W., Li M., Li J., Zeng C. Irradiation Induced Microstructure Evolution in Nanostructured Materials. Materials. 2016. Vol. 9, No. 4. Article 262. DOI: 10.3390/ma9040262. Shultis J.K., Faw R.E. Radiation Shielding. 2-е изд. La Grange Park, IL: American Nuclear Society, 2000. Shultis J.K., Faw R.E. Radiation Shielding. 2nd ed. La Grange Park, IL: American Nuclear Society, 2000. Atwell W., Rojdev K., Aghara S., Sriprisan S. Mitigating the Effects of the Space Radiation Environment: A Novel Approach of Using Graded-Z Materials. AIAA Conference Paper, 2013. NASA Technical Report 20140002469. Atwell W., Rojdev K., Aghara S., Sriprisan S. Mitigating the Effects of the Space Radiation Environment: A Novel Approach of Using Graded-Z Materials. AIAA Conference Paper, 2013. NASA Technical Report 20140002469. Radiation Effects in MEMS. Proc. SPIE. 2011. Vol. 7928. Paper 79280H. DOI: 10.1117/12.876968. Radiation Effects in MEMS. Proc. SPIE. 2011. Vol. 7928. Paper 79280H. DOI: 10.1117/12.876968. Stark B. MEMS reliability assurance guidelines for space applications. – 1999. – №. JPL-Publ-99-1. Stark B. MEMS reliability assurance guidelines for space applications. – 1999. – №. JPL-Publ-99-1. ГОСТ РВ 20.57.306-98. GOST RV 20.57.306-98. Ozkan T. et al. Density modulated nanoporous tungsten thin films and their nanomechanical properties //Journal of Materials Research. – 2016. – Т. 31. – №. 14. – С. 2011-2024. Ozkan T. et al. Density modulated nanoporous tungsten thin films and their nanomechanical properties //Journal of Materials Research. – 2016. – T. 31. – №. 14. – P. 2011-2024. Mechanical properties of sputter-deposited titanium thin films. Thin Solid Films, 1993. DOI: 10.1016/0040-6090(93)90653-I Mechanical properties of sputter-deposited titanium thin films. Thin Solid Films, 1993. DOI: 10.1016/0040-6090(93)90653-I Yoshioka T. et al. Tensile testing of SiO2 and Si3N4 films carried out on a silicon chip //Sensors and Actuators A: Physical. – 2000. – Т. 82. – №. 1-3. – С. 291-296. Yoshioka T. et al. Tensile testing of SiO2 and Si3N4 films carried out on a silicon chip //Sensors and Actuators A: Physical. – 2000. – T. 82. – №. 1-3. – P. 291-296. White G.K., Minges M.L. Thermal expansion of reference materials: tungsten, molybdenum, titanium… International Journal of Thermophysics, 18, 1269–1277 (1997). DOI: 10.1007/BF02678442 White G.K., Minges M.L. Thermal expansion of reference materials: tungsten, molybdenum, titanium… International Journal of Thermophysics, 18, 1269–1277 (1997). DOI: 10.1007/BF02678442 White G.K., Minges M.L., ibid. DOI: 10.1007/BF02678442 White G.K., Minges M.L., ibid. DOI: 10.1007/BF02678442