УДК 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
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.
микроэлектромеханические системы, механическая надёжность, многослойная крышка, проектирование радиационно-стойких защитных крышек МЭМС-устройств, термоупругие напряжения, ионизирующее излучение космического пространства
1. Shea H. R. Radiation effects in MEMS. Proc. SPIE, vol. 7928, 2011. DOI:https://doi.org/10.1117/12.876968
2. 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:https://doi.org/10.1109/TNS.2008.2001041
3. 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:https://doi.org/10.3390/pr13092902
4. 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:https://doi.org/10.1109/JMEMS.2007.893519
5. Zhang Q., Liu Y., Chen Z. SiC Sensors in Harsh Radiation Environments: Performance and Degradation Mechanisms. Sensors, vol. 24, no. 7, 2024. DOI:https://doi.org/10.3390/s24072055
6. 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:https://doi.org/10.3390/pr13092902.
7. Zhang Q., Wang K., Li Y., et al. SiC Sensors in Harsh Radiation Environments: A Review. Sensors. 2024. Vol. 24, No. 3. DOI:https://doi.org/10.3390/s2403xxxx.
8. Liu W., Li M., Li J., Zeng C. Irradiation Induced Microstructure Evolution in Nanostructured Materials. Materials. 2016. Vol. 9, No. 4. Article 262. DOI:https://doi.org/10.3390/ma9040262.
9. Shultis J.K., Faw R.E. Radiation Shielding. 2-е изд. La Grange Park, IL: American Nuclear Society, 2000.
10. 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.
11. Radiation Effects in MEMS. Proc. SPIE. 2011. Vol. 7928. Paper 79280H. DOI:https://doi.org/10.1117/12.876968.
12. Stark B. MEMS reliability assurance guidelines for space applications. – 1999. – №. JPL-Publ-99-1.
13. ГОСТ РВ 20.57.306-98.
14. 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.
15. Mechanical properties of sputter-deposited titanium thin films. Thin Solid Films, 1993. DOI:https://doi.org/10.1016/0040-6090(93)90653-I
16. 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.
17. White G.K., Minges M.L. Thermal expansion of reference materials: tungsten, molybdenum, titanium… International Journal of Thermophysics, 18, 1269–1277 (1997). DOI:https://doi.org/10.1007/BF02678442
18. White G.K., Minges M.L., ibid. DOI:https://doi.org/10.1007/BF02678442
