<div>
	Проектирование микроэлектромеханического логического элемента на основе гребенчатого резонатора</div>

Соловьев Александр Анатольевич, Певцов Евгений Филиппович, Колчужин Владимир Анатольевич

doi:10.17586/2226-1494-2025-25-3-508-519

2025 , ТОМ 25, НОМЕР 3 ( май-июнь )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-3-508-519

УДК 621.3.049.7

Проектирование микроэлектромеханического логического элемента на основе гребенчатого резонатора

Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А.

Читать статью полностью

Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А. Проектирование микроэлектромеханического логического элемента на основе гребенчатого резонатора // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2025. Т. 25, № 3. С. 508–519. doi: 10.17586/2226-1494-2025-25-3-508-519

Аннотация

Введение. КМОП-технология практически достигла физического предела уменьшения размеров транзисторов и обладает существенными эксплуатационными ограничениями при экстремальных температурах и ионизирующем излучении. В работе предлагается методика проектирования логических элементов на основе альтернативной технологии, использующей гребенчатые микроэлектромеханические резонаторы, работающие на бесконтактном принципе и перепрограммируемые в процессе эксплуатации. Метод. Предложена методика расчета геометрических параметров устройства с помощью аналитических выражений и с учетом технологических норм, необходимых для достижения заданных характеристик: собственной частоты колебаний резонатора (100 кГц) и коэффициента добротности (20) при атмосферном давлении. Основные результаты. Определены оптимальные геометрические параметры устройства, характеристики емкостных ячеек, влияющие на чувствительность устройства и добротность с учетом воздушного демпфирования. Точность расчетов достаточна для проектирования фотошаблонов без использования специализированного программного обеспечения. Разработана компактная модель логического микроэлектромеханического элемента, позволяющая проводить системный анализ динамических характеристик и реализовывать функционально полный набор логических операций. Обсуждение. Разработанный маршрут проектирования может применяться для создания логических микроэлектромеханических элементов с возможностью перепрограммирования в процессе работы и дальнейшего каскадирования таких устройств для построения сложных цифровых схем. Работа полезна разработчикам микроэлектромеханических акселерометров и гироскопов и предлагает альтернативный подход к созданию трехмерных моделей на основе библиотеки параметрических компонентов и генерации компактных моделей для системного анализа.

Ключевые слова: МЭМС, микроэлектромеханические резонаторы, логические элементы, вентили, системное моделирование, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ

Благодарности. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание для университетов № ФГФЗ-2023-0005) и с применением оборудования Центра коллективного пользования РТУ МИРЭА (соглашение от 01.09.2021 № 075–15-2021-689, уникальный идентификационный номер 2296.61321Х0010).

Список литературы

NanaiahK.C., Younis M.I. Dual electro-mechanical oscillator for dynamically reprogrammable logic gate. Patent US11031937B2, 2021.
Hafiz M.A.A., Kosuru L., Younis M.I. Microelectromechanical reprogrammable logic device // Nature Communications. 2016. V. 7. P. 11137. https://doi.org/10.1038/ncomms11137
Fariborzi H., Chen F., Nathanael R., Chen I-Ru, Hutin L., Lee R., Liu T.-J.K., Stojanovic V. Relays do not leak – CMOS does // Proc. of the 50^th ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC). 2013. P. 1–4.
Ilyas S., Ahmed S., Hafiz A.A.,Fariborzi H., Younis M. Cascadable microelectromechanical resonator logic gate // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2019. V. 29. N 1. P. 015007. https://doi.org/10.1088/1361-6439/aaf0e6
IlyasS., Hafiz M.A.A., FariborziH., YounisM.I. Mechanical resonator based cascadable logic device. Patent US20190341920A1, 2021.
Соловьев А.А., Певцов Е.Ф., Колчужин В.А. Системное моделирование мультиконтактного микроэлектромеханического логического элемента // Нано- и микросистемная техника. 2024. Т. 26.№ 6. С. 260–267.
Asselot J., Krust A., Parent A., Welham C. High order MEMS models for system design // Proc. of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/iscas.2018.8351644
Gridchin A.V., Kolchuzhin V.A., Gridchin V.A. An optimization of initial gap in electrostatic comb drive // Proc. of the 13^th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2016. P. 13–15. https://doi.org/10.1109/APEIE.2016.7802182
Senturia S.D. Microsystem Design. Springer,2005. 689 p.
Parker G.W. What is the capacitance of parallel plates? // Computers in Physics. 1991. V. 5. P. 534–540. https://doi.org/10.1063/1.4823017
Maj C., Nazdrowicz J., Stawiński A. Fringing field modelling in MEMS capacitive comb-drive accelerometers // Methods and tools in CAD – selected issues. 2021. P. 15–27. https://doi.org/10.24427/978-83-66391-87-1_02
Yazdi N., Najafi K., Salian A. A high-sensitivity silicon accelerometer with a folded-electrode structure// Journal of Microelectromechanical Systems. 2003. V. 12. N 4. P. 479–486. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2003.815837
Veijola T., Turowski M. Compact damping models for laterally moving microstructures with gas-rarefaction effects // Journal of Microelectromechanical Systems. 2001. V. 10.N 2.P. 263–273. https://doi.org/10.1109/84.925777
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024682380 РФ. Программа аналитического расчета геометрических размеров логических МЭМС вентилей на основе гребенчатых резонаторов: № 2024680765.заявлено 10.09.2024.опубликовано 23.09.2024. Бюл. № 10 / Колчужин В.А., Соловьев А.А., Певцов Е.Ф. правообладатель ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет».
Schröpfer G., Lorenz G., Krust A., Vernay B., Breit S., Mehdaoui A., Sanginario A. MEMS system-level modeling and simulation in smart systems// Smart Systems Integration and Simulation. 2016. P. 145–168. https://doi.org/10.1007/978-3-319-27392-1_6
Lorenz G., Morris A., Lakkis I. A top-down design flow for MOEMS // Proceedings of SPIE. 2001. V. 4408.P. 126–137. https://doi.org/10.1117/12.425351
Zhang Z., Kamon M., Daniel L. Continuation-based pull-in and lift-off simulation algorithms for microelectromechanical devices // Journal of Microelectromechanical Systems. 2014. V. 23. N 5. P. 1084–1093. https://doi.org/10.1109/jmems.2014.2304967
Lorenz G., Schröpfer G. 3D parametric-library-based MEMS/IC design // System-Level Modeling of MEMS. 2013. P. 407–424. https://doi.org/10.1002/9783527647132.ch17
Haase J.,Reitz S.,Wünsche S., Schwarz P.,Becker U.,Lorenz G.,Neul R. Netzwerk- und Verhaltensmodellierung eines mikromechanischen Beschleunigungssensors // Proc. of the Workshop Methoden und Werkzeuge zum Entwurf von Mikrosystemen im Rahmen des 2. Statusseminars zum BMBF-Verbundprojekt Modellbildung für die Mikrosystemtechnik MIMOSYS.1997.P. 23–30.
Neul R., Becker U., Lorenz G., Schwarz P., Haase J., WünscheS. A modeling approach to include mechanical microsystem components into the system simulation // Proc. of the Proceedings Design, Automation and Test in Europe. 1998. P. 510–517. https://doi.org/10.1109/DATE.1998.655906
Kolchuzhin V., Dotzel W., Mehner J. Challenges in MEMS parametric macro-modeling based on mode superposition technique // Proc. of the 10^th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE. 2009. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ESIME.2009.4938481
Kolchuzhin V. Verilog-A_components. [Электронный ресурс]. URL: https://github.com/Kolchuzhin/Verilog-A_components/tree/main/MIREA (дата обращения: 06.02.2025).

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License