МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
  «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені Ігоря  Сікорського»
       НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

М.Д. Гераїмчук,  О.В. Івахів, Т.М. Репетило

ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ МЕМС ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН              В ЕЛЕКТРИЧНУ 

Рекомендовано Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорского
як навчальний посібник для студентів,
які навчаються за спеціальністю 152 «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка»

	

Київ 
КПІ ім. Ігоря  Сікорського 
2017

Рецензенти:                                                                                         Теслюк В. М., д-р техн. наук, проф., НУ «Львівська політехніка» 	                                                           Шевчук Б. М., канд. техн. наук, науковий співробітник Інституту  кібернетики НАН України
  Відповідальний редактор    Нікітін О.К., канд. техн. наук, доцент
Гриф надано Методичною радою КПІ ім. Ігоря Сікорського  (протокол № 3 від 23.11.2017 р.) за поданням Вченої ради приладобудівного факультету (протокол №4/17 від 24.04.2017 р.)
Електронне мережне навчальне видання

Гераїмчук Михайло Дем’янович, д-р техн. наук, проф. 
Івахів Орест Васильович, д-р техн. наук, проф.
  Репетило Тарас Михайлович, канд. техн. наук

ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ МЕМС ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ МЕХАНІЧНИХ ВЕЛИЧИН В ЕЛЕКТРИЧНУ 

Основи проектування МЕМС перетворювачів механічних величин в електричну: навч. посіб. для студентів спеціальності 152  «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка» / М.Д. Гераїмчук, О.В. Івахів,  Т.М. Репетило; КПІ ім. Ігоря Сікорського, НУ «Львівська політехніка». – Електронні текстові дані (1 файл: 1423 Кбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2017. –  108 с. 
Навчальний посібник розрахований на наукових працівників, викладачів, аспірантів, студентів вищих навчальних закладів, коло фахівців, які зацікавлені у вивченні нетрадиційних відновлюваних джерел електричної енергії. Розглядається проектування одного із перспективних напрямів розвитку відновлюваних джерел енергії, основаного на використанні мікро- і нанотехнологій, які найбільш поширені в електроних пристроях, комп’ютерній техніці, в різних системах безпроводових мереж тощо. 		

© М.Д. Гераїмчук, О.В. Івахів, Т.М. Репетило, 2017
© КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2017

                                                           ЗМІСТ
Вступ…………………………………………………………..………..…..... 5
Розділ 1. Загальна характеристика нетрадиційних  відновлюваних джерел електричної енергії…………………………….……..…………….....7
1.1.	Нетрадиційні відновлювані джерела електричної енергії ……....7
1.2.	 Джерела  механічних величин (коливань, вібрацій) зовнішнього середовища, які можливо використовувати для перетворення в електричний сигнал, і їх класифікація………………………………………………………...9      	Контрольні запитання…………………………………………….……...12
Розділ 2. Концепція і тенденції розробки мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал…………………13
2.1. Тенденції розвитку елементів мікро- і наноелектромеханічних систем та основи проектування на базі них мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал…………………………………….13
      2.2. Аналіз стану розробок мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал на основі МЕМС і нанотехнологій………….20
 2.3. Методологія використання нових фізичних ефектів і рекомендації з їх вибору при проектуванні мікрогенераторів………………………….………25
     2.3.1. Квантові  ефекти й особливості їх використання при проектуванні  мікроперетворювачів………………………………………….………………..28
2.3.2. Рекомендації  з вибору нових фізичних ефектів при проектуванні мікрогенераторів  …………………………………………………………….……………..31 
         2.4. Методи інтеграції механічних і електричних елементів мікро- і наноелектромеханічних систем на одному кристалі…………………………32    	         Контрольні запитання……………………….……………...……………..37
Розділ 3. Математична модель мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, побудованих на основі використання мікротехнологій……………………………...……………….38
3.1. Математична модель мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал…………………………………………………38
3.2. Вплив  різних механічних і електричних параметрів на ефективність перетворення механічної енергії в електрику, в тому числі крайових………47
3.3. Вплив резонансної частоти на ефективність перетворення механічної енергії в електричну і її регулювання……………………………………….55   	 Контрольні запитання………………………………………………..…..58
Розділ 4. Приклади технології виготовлення окремих мікроперетворювачів………………………………………………………….59	Контрольні запитання…………………………………………………….70
Розділ 5.  Загальна методологія, етапи і засоби проектування мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал ……………………………………………………………………………71
5.1. Загальна методологія проектування  систем на кристалі…..…………71 
5.2. Етапи проектування систем на кристалі………………………….……76
5.3. Процес проектування SoC на системному рівні………………………79
     5.4.  Програмні засоби  моделювання і проектування (САПР) інтегрованих на кристалі систем……………………………………………………………….82  
   5.4.1. Класифікація засобів  моделювання і проектування інтегрованих на кристалі систем……………………………………………………………	……82	5.4.2. Основні програмні засоби розроблення, моделювання і проектування інтегрованих на кристалі систем …………………….………..85
   5.4.3. Програмні засоби моделювання і проектування МЕМС та мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал……………………………………………………………………..…….95		 Контрольні запитання…………………………………………………..98
      	Перелік посилань………………………………………………………99

Вступ 
В навчальному посібнику розглядаються теоретичні засади побудови нового виду ефективних мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал на основі використання мікро - і наноперетворювачів. Розглядаються можливості використання при їх побудові нових фізичних ефектів та інформаційних технологій, призначених для систем різного застосування (сенсорних систем, бездротових тощо), а також можливості побудови енергетичних систем промислового призначення.
Дослідження структури мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал є актуальною задачею особливо при їх практичній розробці, що пов’язано з необхідністю уточнення їх фізико - механічних характеристик з метою прогнозування ефективності їх роботи, надійності, а також  ресурсу. Конструктор повинен враховувати також зміни фізичних величин і характеристик мікроперетворювачів при зміні їх габаритів від макро - до мікророзмірів, щоб мати спроможність визначити переваги мікроконструкцій, які забезпечать можливість підвищення ефективності їх роботи. 
Необхідно відзначити, що нині публікується велика кількість статей і монографій, присвяченних дослідженню мікро- і наноструктур. Підвищена зацікавленість ними пов’язана з можливістю забезпечення живлення малопотужних електронних систем і бездротових мереж, а також отримання нових матеріалів з такими характеристиками, які пов’язані з новими напрямами розвитку нанопромисловості. Привертають увагу дослідження усіх груп наноструктур з можливістю побудови на їх основі нових перетворювачів механічних коливань в електрику та підвищення ефективності їх роботи. Особливо це стосується інтегрованих структур перетворювачів.
Однак, незважаючи на те, що швидкий розвиток різних галузей науки і техніки сприяє мікромініатюризації компонентів і систем як електронних, так і механічних, у тому перетворювачів різних фізичних величин, процеси проектування і виготовлення нано- і мікроелектронних компонентів і систем розвинені набагато більше порівняно з виготовленням нано- і мікроелементів перетворювачів та механічних чутливих елементів різних фізичних величин. Процеси  проектування мікро- і наноелементів та вибір технологічного процесу їх виготовлення мають свої особливості. Зокрема, це стосується розробки чутливих елементів мікроперетворювачів. Чутливий елемент мікроперетворювача повинен сприймати механічні коливання і ефективно перетворювати їх в електричний сигнал, в електричну енергію, а також її рекуперувати. Тому перетворювач необхідно укомплектувати системою, яка контролює усі ці перетворення. Для реалізації оптимальної структури перетворювачів необхідно інтегрувати різні фізичні ефекти, від правильного використання яких залежать як конструктивні параметри мікроперетворювачів (можливість мікровиконання), так і енергетичні. Дослідження мікро- і нанотехнологій відкриває нові можливості в побудові ефективних мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електрику. Пропонується для розробки ефективних мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, джерел електричної енергії використовувати як напрацювання в галузі нано- і мікротехнологій, так і досліджень щодо можливості використання як нових фізичних ефектів при побудові конструкцій мікроперетворювачів, використання особливостей нових конструкцій мікроперетворювачів для систем живлення сенсорних систем, різних малогабаритних об’єктів, а також і можливостей їх промислового призначення.
Розв’язання цієї проблеми є на сьогодні актуальним завданням, зумовленим потребами сучасного розвитку виробництва, науки і народного господарства. Однак  вирішення проблеми створення таких перетворювачів без використання нано- і мікротехнологій, а також без застосування нових фізичних ефектів неможливе, і це стримує їх розвиток. Проведення досліджень й аналіз відомих і нових фізичних ефектів, виявлення (окреслення) їх недоліків і переваг показали, що для проектування мікроперетворювачів перспективним є використання нових ефектів, які базуються на квантових ефектах (вуглецевих і напівпровідникових нанотрубках, тунельному ефекті), що дадуть змогу отримати продукти з новими технічними характеристиками, значно зменшити їх собівартість і розміри, підвищити їх ефективність і надійність. Тобто використання мікро- і нанотехнологій відкриває нові потенційні можливості розвитку і побудови мікроперетворювачів механічних коливань в електричний сигнал, сприяє розширенню альтернативних джерел електричної енергії і частковому розв’язанню енергетичної проблеми України. Необхідно також відзначити, що незважаючи на перспективність використання нановолокон і можливості розробки на їх основі альтернативних джерел електричної енергії, розробки наногенераторів перетворення механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал все ще перебувають на стадії наукових досліджень.

Розділ 1. Загальна характеристика нетрадиційних              відновлюваних джерел електричної енергії

1.1.	Нетрадиційні відновлювані джерела електричної енергії

До нетрадиційних відновлюваних джерел електричної енергії відносять ті джерела енергії, які використовують енергетичні ресурси припливів, хвиль океану, річок, вітру, сонця, біомас й інші. Частка нетрадиційних відновлюваних джерел енергії наразі ще незначна, однак вона у кілька разів перевищує рівень споживання паливно-енергетичних ресурсів.
Згідно з прогнозом, у найближчі 10 років світові обсяги виробництва електричної енергії з використанням традиційних джерел зростуть на  2,8 %, а виробництво електричної енергії  із залученням нетрадиційних відновлюваних джерел енергії – на 9,2 %[1]. Тому потенціалу відновлюваних джерел енергії приділяють особливу увагу всі країни, особливо після ядерної катастрофи в Японії. Окремі країни заморожують програми з розвитку ядерної енергетики та розширюють використання відновлюваних джерел і дослідження в цій сфері. Вживаються заходи на законодавчому рівні щодо збільшення частки продукованої  енергії з використанням відновлюваних джерел.  Директива ЄС 
2009/28/ЄС вимагає від країн – учасників використання відновлюваних джерел в обсязі 20 % від загальної  кількості джерел енергії. Хоча окремі країни планують значно збільшити цей відсоток. Так, наприклад, Китай планує довести цю величину до 43 % 	 в 2050 році.  Аналогічні прогнози надає також і ООН[1].
Для України розвиток відновлюваних джерел енергії набуває особливого значення в сучасних умовах значної енергетичної залежності України від зовнішніх джерел, як відзначають академіки НАН Ураїни  Б.С. Стогній, О.І. Кириленко і докт. техн. наук С.П. Денисюк [1].
Однак, незважаючи на те, що Україна має значний потенціал для розвитку відновлюваних джерел енергії, частка їх у балансі країни становить близько 1 %. Ця ситуація може покращитися  після внесення необхідних змін до чинного Закону України № 575/97-ВР «Про електроенергетику» для стимулювання інвестиційної діяльності у цій сфері, як зазначається в пояснювальній записці до проекту Закону України «Про внесення змін до Закону України «Про електроенергетику» (щодо стимулювання виробництва електроенергії з альтернативних джерел енергії), і Закону України «Про альтернативні джерела енергії». Кроком до розв’язання цієї проблеми і можливості збільшення використання частки відновлюваних джерел енергії в балансі країни перспективним є використання наразі малоосвоєних джерел енергії, використання механічних коливань і вібрацій. Ці джерела енергії є довкола нас, однак на сьогодні ми використовуємо їх недостатньо ефективно.

1.2	 Джерела механічних величин (коливань, вібрацій) зовнішнього середовища, які можна використати для перетворення в електричний сигнал, і їх класифікація
У світі відомі різні види джерел енергії, основні з яких наведені в табл. 1.  Із таблиці видно, що найбільший відсоток енергії отримують від нафти, вугілля і природного газу. Найнижчий відсоток мають нові джерела, до яких відносяться  і відновлювані джерела енергії. 
Таблиця 1. Основні джерела енергії  [2]
Джерело енергії	Відсоток	
Нафта	34,6 	
Вугілля	22,7 	
Природний газ	20,7	
Дерево	12,2	
Гідро- і атомна енергія	8,7	
Нові джерела	1,1	

Відомо, що основним фактором зниження використання традиційних паливних ресурсів і покращення екологічної ситуації є використання і розвиток нетрадиційних відновлюваних джерел енергії. Перевагами таких джерел енергії є їх екологічна безпечність і можливість використання в різних місцях. В Україні на сьогодні стимулюється застосування нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, зокрема, через впровадження «зеленого тарифу». Водночас (табл. 2) реальні запаси енергії відновлюваних джерел енергії на планеті і в Україні є досить вагомими. На сьогодні використання відновлюваних джерел енергії становить 13 %, до 2030 року пропонується збільшити цей відсоток до 30 % [3]. Країни Європи приділяють велику увагу розвитку відновлюваних джерел енергії. За підтримки Єврокомісії  починаючи з 1998 року що два місяці в Європі публікуються дані про поточний стан розвитку відновлюваних джерел енергії [4].
Таблиця 2.  Потенціал відновлюваних джерел енергії на планеті і в Україні

Енергія	Запаси енергії потенційні/реальні,
 млрд кВт год/рік	
	На планеті	В  Україні	
Сонця	668.10 6/–	720.10 3/130	
Вітру	17,4.10 6/–	965.10 3/360	
Гідроресурсів	18 . 10 3/–	17,4/6,4	
Земних надр	134 .10 3/–	2,2/2,2	
Біомаси	–/–	12,5/6,1	

Стосовно України, то згідно з енергетичною стратегією розвитку України до 2030 року передбачається значне використання нетрадиційних джерел енергії. Проблема застосування таких джерел енергії в Україні є гострішою, ніж у країнах Європи. Це пов’язано з практично  повною відсутністю в Україні достатніх запасів природних ресурсів (нафти, газу). Тому перехід до енергетично ефективних та екологічно чистих технологій з використанням нетрадиційних відновлюваних джерел енергії є особливо актуальним. Незважаючи на те, що потенціал цих джерел України оцінюється як лише 6 % від усієї розрахункової економії палива [5], та вони мають реально ефективні і дають можливість послабити вплив енергетики на довкілля, є основним фактором зниження використання традиційних паливних ресурсів. Найчастіше використовуються джерела сонячної, теплової і вітрової енергії. Також останніми роками почали активно розроблятися і впроваджуватися системи, базовані на використанні енергії руху, коливань і вібрацій. У світі розробленням систем акумулювання енергії (за даними компанії IDTechEX) займаються декілька сотень фірм і компаній. Очікуваний обсяг продаж перетворювачів енергії на 2020 рік становитиме 4,4 млрд долл. [6]: прогнозуються продажі до 250 млн перетворювачів, а ціна їх не перевищуватиме 6 доларів. Ці перетворювачі енергії використовуватимуться в найрізноманітніших галузях техніки і в споживчих товарах. Споживачами таких систем електричної енергії стануть як товари домашнього використання, включно з різними видами комп’ютерної техніки, електронні книжки, смартфони тощо, так і промислові, цивільні, космічні об’єкти. Таким чином, побудова мікроперетворювачів на основі використання мікро- і нанотехнологій надає змогу розробляти мікрогенератори електричної енергії для різних галузей народного господарства: побутової і комп’ютерної техніки, живлення приміщень, військової промисловості, медицини тощо. Розвиток цього напряму має особливо велике значення на сучасному  етапі розвитку мікро- і нанотехнологій та виробництва відповідної продукції (систем бездротових мереж, електронних систем керування різного призначення, для військової і космічної техніки тощо), яка вимагає для свого живлення генератори малої потужності (мікровати). Побудова необхідних ефективних мікрогенераторів отримання максимальної енергії на їх виході залежить від використовуваних фізичних ефектів, які покладені в основу їх роботи. Особливо, як уже відзначалось, цей  процес стимулює на сучасному етапі швидкий розвиток мікро- і нанотехнологій.
Основи класифікації джерел механічних коливань і вібрацій. Джерела механічних коливань і вібрацій, які можна використовувати для отримання електроенергії, можна розділити в залежності від факторів, які їх породжують, на  три групи:
- природні - викликані дією природних факторів;
- викликані дією руху транспорту різного виду, людей, унаслідок  роботи технологічного обладнання, установок, електродвигунів  тощо;
- викликані спеціально і генеровані спеціальними пристроями.
Джерела механічних коливань і вібрацій поділяються також на:	
 - примусові, які виникають при дії зовнішнього періодичного збурення; 
 - власні (вільні), які продовжуються після зовнішнього збурення системи;
 - автоколивання, що виникають у системах, що мають певний запас потенціальної енергії;
 - резонансні коливання, які виникають за збігу резонансної частоти коливань системи і зовнішнього збурення;
 - випадкові коливання, які виникають при дії на систему випадкових величин і значення яких  змінюється випадково.
До джерел механічних коливань відносяться також акустичні. Вони характеризуються механічними коливаннями частинок пружного середовища, які поширюються від джерела коливань у зовнішнє середовище, а також звуковими, а саме: ті, які сприймаються органами слуху людини в частотному діапазоні від 20 до 20000 Гц, ті які не сприймаються органами слуху – інфразвукові з діапазоном частот менше 16–20 Гц, а також ультразвукові – понад 20 кГц. У технічних засобах вібрації виникають в основному внаслідок їх зношеності та недосконалості конструкцій, а також технологій виготовлення. Резонансні явища можуть підсилювати вібрації.
Коливання у більшості випадків описуються гармонічним законом. До гармонічних механічних коливань відносять коливання, які можна описати синусоїдою чи косинусоїдою. Вони характеризуються амплітудою, фазою та частотою. Фазою Амплітуда визначається як максимальне значення відхилення коливальної системи від деякого усередненого її значення. Частота визначається кількістю коливань системи за одиницю часу.  Інтенсивність хвильового процесу характеризується амплітудою і щільністю потоку енергії.
Контрольні запитання
1. Які джерела енергії відносяться до нетрадиційних відновлювальних джерел електричної енергії і яка їх частка в паливно-енергетичних ресурсах країни?
2. Які джерела механічних коливань і вібрацій можна використовувати для отримання електроенергії і яким чином їх можна класифікувати в залежності від факторів їх походження?
3. Яка енергетична стратегія розвитку України до 2030 року? 
Розділ 2. Концепція і тенденції розробки мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал

      2.1. Тенденції розвитку елементів мікро- і наноелектромеханічних систем та основи проектування на їх основі мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал

Побудова мікроперетворювачів на основі використання мікро- і нанотехнологій дає змогу розробляти, як уже відзначалося,  мікрогенератори електричної енергії для різних галузей народного господарства: побутової та комп’ютерної техніки, живлення приміщень, військової промисловості, медицини тощо. Розвиток цього напряму має особливо велике значення на сучасному етапі розвитку мікро- і нанотехнологій та виробництва відповідної продукції (систем бездротових мереж, електронних систем керування  різного призначення, для війської і космічної техніки тощо), яка вимагає для свого живлення генератори малої потужності (на рівні мікроват). Враховуючи, що швидкості передачі даних у бездротових мережах складають 250 Кбіт/с і вище, а потужність вузла може бути 10-3 Вт і нижче [7], тому використання мікрогенераторів, які можуть генерувати потужність від 1 до 10 мВт/см2, є суттєвим для живлення сучасних мікрооб’єктів. При перетворенні енергії коливання зовнішнього середовища в електричний сигнал можна отримати генеровану потужність у мілі- чи мікроватному діапазоні. Дослідження показують, що найбільш енергоємним є діапазон частот 1–100 Гц, який характеризується довжинами хвилі від 0,1 до 2,0 мкм.
Побудову необхідних ефективних мікрогенераторів отримання максимальної енергії на їх виході стимулює на сучасному етапі швидкий розвиток мікро- і нанотехнологій. Тенденції розвитку мікро- і наносистем та елементів дещо випереджають прогноз згідно із законом Гордона Мура (табл. 3) [8].
Як основний елемент мікрогенераторів використовується мікробалка (мікроконсоль – сantiliver), яка може мати різні конфігурації залежно  від приєднаної маси чутливого елемента і елементів генерування електричного сигналу. До елементів генерування (перетворення механічних коливань і вібрацій зовнішнього середовища в електрику) електричного сигналу відносять ємнісні, електромагнітні та п’єзоперетворювачі. Основні параметри і характеристики цих мікроелементів визначають ефективність роботи розроблюваних мікрогенераторів – мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій зовнішнього середовища в електричний сигнал, а також їх габаритні мікророзміри і можливість використання групових мікротехнологій їх виготовлення. Аналіз показує, що найефективнішими при перетворенні механічних коливань є електростатичні мікроперетворювачі, якщо порівнювати з електромагнітними, які малоефективні при перетворенні малих амплітуд коливань, а також з п’єзоперетворювачами, робота яких малоефективна за малих частот коливань, і які мають недостатньо розвинену технологію мікровиконання.
Таблиця 3. Тенденції розвитку мікро- і наносистем та елементів
Наноелектронні системи й елементи	Тенденції розвитку	
Інтегральні схеми	Швидкість зростає вдвічі кожні 1,5-2 роки	
Фотоніка	Ємність переданих даних подвоюється кожні 1,5-2 роки	
Зберігання даних	Щільність зберігання збільшується вдвічі кожні 9 місяців	
Дисплей	Кількість пікселів збільшується вдвічі кожні два роки	
Мобільний зв'язок 	Ємність каналів збільшується у 10-100 разів що п’ять років	
Програмне забезпечення	Обсяг операційних систем збільшується вдвічі кожні два роки	

Дослідження показують, що форма і розміри консольної балки впливають на перенапруження чутливого елемента і ефективність роботи мікрогенератора. Зменшення перенапружень досягається виготовленням  консольних балок у вигляді трапецій [9]. Також можна констатувати, що мікроелементи, у яких як чутливий елемент використовуються балки, мають кращі механічні характеристики. Вони менш чутливі до руйнування, поріг міцності у них  більший. Внутрішні напруження в наноматеріалах також впливають на зміну їх властивостей на нанорівні. Наявність внутрішніх напружень спричиняє зміну атомарної структури елементів наноматеріалу [10, 11].
Процеси проектування мікро- і наноелементів та вибір технологічного процесу їх виготовлення мають свою специфіку. Особливо це стосується розробки чутливих елементів мікрогенераторів. Чутливий елемент мікрогенератора повинен сприймати і перетворювати в електроенергію повний вектор коливань.
Дослідження мікроелементів з погляду технологічності показують, що найбільш технологічними є ємнісні (електростатичні) елементи, оскільки порівняно з електромагнітними елементами вони не мають обмоток й інші складники, які складні у виконанні. Однак  дослідження ємнісних елементів електростатичних мікроперетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електрику показує, що їм, крім необхідності додаткового джерела електричної енергії, притаманні й інші конструктивні недоліки. Одним із таких недоліків є залипання поверхні обкладок ємнісного перетворювача. Для попередження виникнення залипання пластин конденсатора і виходу мікрогенератора із робочого стану використовують обмежувачі переміщення електродів. Однак їх встановлення і виставлення необхідного проміжку між пластинами пов’язані зі значними складнощами. Для ліквідації ефекту приклеювання обкладок конденсатора пропонується також нанесення шару тонкої плівки двоокису кремнію. Інший метод усунення цього недоліку полягає у введенні в конструкцію додаткового нагрівача, за допомогою якого можливо роз’єднати склеєні обкладинки конденсатора і відновити працездатність електростатичного мікрогенератора.
Тому при наномасштабних структурах на розмірні ефекти необхідно звертати особливу увагу та враховувати їх під час проектування мікроперетворювачів механічних величин з ємнісними перетворювачами переміщення чутливого елемента під дією зовнішнього збудника. Зокрема, потрібно враховувати частку атомів, що містяться в тонкому приповерхневому шарі близько 1 нм, яка може зменшуватись і тим самим впливати на характеристики перетворення енергії. Необхідно також враховувати поверхневі ефекти, адже відомо, що атоми, які містяться на поверхні матеріалу, зв’язані інакше із сусідніми атомами, ніж ті, які перебувають в його об’ємі. Тобто на поверхні може бути інший порядок розміщення атомів, а це може вливати на характеристики конденсатора. Особливо цю ситуацію необхідно враховувати при виготовленні об’ємних чутливих елементів перетворення механічних коливань в електричний сигнал.
 При проектуванні перетворювачів на нанорівні  слід  враховувати також властивості наночастинок використовуваних матеріалів, що можуть значно змінюватися порівняно з мікрочастинками того ж матеріалу, починаючи з критичного розміру 10 – 100 нм [12]. Цей критичний розмір може бути різним і змінюватись залежно від аналізованих механічних, електричних, магнітних, хімічних характеристик. Це пояснюється тим, що наночастинки, розмір яких менший від 10 нм, мають надлишкову енергію і високу хімічну активність, а при розмірах близько 1 нм практично без енергії активації можуть вступати в процеси агрегації з виникненням нових наночастинок металів, а з іншими елементами – нових матеріалів з новими властивостями. Тому при розробці мікро- і наногенераторів ці фактори потрібно враховувати, особливо коли йдеться про електростатичні (ємнісні) перетворювачі механічних коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал.
Важливим є також аналіз нових властивостей наноматеріалів, які необхідно враховувати при проектуванні нового типу мікроперетворювачів механічніх коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал. При аналізуванні динаміки в окремих випадках необхідно враховувати квантові ефекти.
Дослідження також показують, що розробка гнучких п’єзоелементів відкриває нові можливості при створенні  нового виду мікроп’єзогенераторів. Вони є технологічними при виготовленні пакетів багатошарових п’єзоелементів, що дає можливість їх промислового виконання.
Що стосується електромагнітних мікрогенераторів, то дослідження показують, що їх структура є більш складною і включає магнітну систему перетворювача коливань зовнішнього середовища, схему керування і накопичувач електричної енергії, за який можуть слугувати суперконденсатори. Оптимізація схеми включення магнітних мікрогенераторів з використанням трансформаторної схеми передачі генерованої електричної енергії дає змогу, порівняно з діодною схемою, зменшити неефективні втрати генерованої електричної енергії [13].
Проведені дослідження елементів і наноелектромеханічних систем та  проектування на їх основі мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал показують, що особливістю конструкції сучасних мікросистем (МЕМС) є інтегрування в одному кристалі елементів як їх механічної, так і електронної системи, виконаного протягом того ж самого технологічного процесу. На одному кристалі можна розмістити декілька чутливих елементів.
Дослідження наноструктурних і нанорозмірних елементів показують, що до їх основних структурних елементів належать кристали, волокна, шари, пори, розміри яких коливаються в діапазоні приблизно 0,1 – 100 нм і розподілені за такими групами [12]:
- квазінульвимірні, до яких відносяться квантові точки, сфероїдні наночастинки;												- квазіодновимірні, до яких відносяться квантові провідники, нанотрубки;
- квазідвовимірні, до яких відносяться тонкі плівки, поверхні розділення;
- квазітривимірні, до яких відносяться багатошарові структури з нанорозмірними дислокаціями, нанокластери, а також структури з  дробовою  розмірністю, гетероструктури, квазігратки з квантових точок і квантових ям.
Серед наведених структур найширше при проектуванні наногенераторів використовуються квазіодно-  і квазідвовимірні. Як перша, так і друга група мають свої переваги, і їх дослідження проводяться паралельно. 
Розвиток наногенераторів першої групи вимагає подальших досліджень нанониток нанокристалів ZnO, які деформуються під дією механічних коливань. Під дією зовнішніх коливань масив деформованих нанониток із нанокристалів ZnO генерує різницю напруг між нижнім і верхнім  платиновими електродами, з яких знімається електричний сигнал. Перетворення механічної енергії в електричну досягається завдяки п’єзоефекту в масиві нанониток. Так, проведені експериментальні дослідження [14] показали, що за довжини нанокристалів 1мкм та діаметра близько 20 нм, генерується змінний сигнал від 50 мВ до 1,5 В при прискоренні 1g  на частоті 20 – 120 Гц. Однак, як видно з цього й інших проведених досліджень відносно значного вихідного сигналу таких перетворювачів механічних вібрацій в електричний сигнал, існують також і великі проблеми із відведенням генерованої нановолокнами електрики. Це переважно пов’язано зі з’єднанням окремих волокон із платиновим електродом. Однак, незважаючи на окремі невирішені технічні конструктивні проблеми, нанотехнології і в конкретному випадку використання нановолокон мають великі перспективи, тому над їх дослідженням працює велика кількість фірм. Розглядаючи використання цих наноматеріалів – наноелементів – з погляду їх використання при проектуванні альтернативних джерел енергії, тобто перетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал, потрібно відзначити, що вони якраз відповідають за своїми властивостями основним групам мікроперетворювачів: електростатичним, 
п’єзо і електромагнітним. Однак аналіз показує, що при проектуванні електростатичних мікроперетворювачів необхідно враховувати вплив  на їх характеристики вологості й абсорбції газів. Також необхідно, як уже відзначалося, враховувати ефект злипання електродів, що може призвести до виходу мікроперетворювача з ладу. Що стосується магнітних перетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електрику, то потрібно зауважити, що в них густина енергії магнітного поля значно більша, ніж у звичайній магнітній системі. Тобто, ефективність магнітних наноперетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал буде значно більшою. Аналіз механічних властивостей наноматеріалів показує, що їх міцнісні характеристики перевищують механічні параметри – міцність звичайних матеріалів. Тому виготовлення нано- і мікробалок  для чутливого елемента мікроперетворювачів дасть  змогу значно поліпшити їх параметри. При зменшенні об’єму, а також розмірів до нанорозмірів, як уже зазначалося, проявляються нові якості, які можна використовувати при побудові нового класу альтернативних мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал. На всіх рівнях можлива зміна властивостей при зміні мікромасштабів до атомних розмірів. Особливо на атомному рівні ця зміна може бути більш різкою, що пов’язано з дискретно-атомною структурою і її квантово-механічною поведінкою. Це, зокрема,  особливо потрібно враховувати  при проектуванні наноперетворювачів з використанням вуглецевих нано- і мікротрубок, багатошарових плівок, композитів із нановолокнами, флюрогенів. Так, наприклад, центр мас чутливого елемента, навіть у стані спокою, не перебуває в рівновазі, оскільки крім теплових флуктуацій, центр мас має і флуктуації квантової природи. Порівнюючи опис систем на рівні класичної та квантової механіки, необхідно відзначити, що в класичній механіці перехід до статистичного опису системи виконується у випадку її хаотичної поведінки, в той час як у квантовій системі можливий тільки статистичний опис поведінки. Також виробництво перетворювачів дає змогу використовувати мікро- і нанотехнології  при виготовленні великих серій, що зменшує їх собівартість, а також забезпечує вищу надійність та ефективність їх роботи.
Що стосується проблеми проектування мікро- і наноперетворювачів на основі використання наноелементів, то проведені дослідження показують, що розвиток нанотехнологій дає змогу виготовляти різного типу системи дуже малих розмірів, а також використовувати можливості інтеграції та об’єднання  на одній підкладці різних функціональних пристроїв, отримувати системи з новими функціональними можливостями. Це стосується і низки нових перспективних альтернативних наноджерел електричної енергії, які будуються на основі об’єднання нановолокон з фотооптичними комірками. При цьому можливо значно підвищити ефективність розроблюваних альтернативних наногенераторів електричної енергії.
При проектуванні подібних інтегрованих систем з використанням мікроелектронних технологій необхідно враховувати також вплив тертя, адгезії, принципи з’єднання рухомих елементів, поверхневі ефекти тощо. Для моделювання таких систем ефективним є використання комп’ютерного моделювання, від якості застосування яких залежать якість та ефективність більшості виконуваних операцій. 
2.2. Аналіз стану розробок мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал на основі МЕМС і нанотехнологій

Незважаючи на те, що швидкий розвиток різних галузей науки і техніки сприяє мікромініатюризації не тільки електронних компонентів і систем, але й механічних, у тому й перетворювачів різних фізичних величин, на сьогодні проектування і виготовлення нано- та мікроелектронних компонентів і систем все ще набагато розвиненіші порівняно з виготовленням нано- і мікроелементів перетворювачів і чутливих елементів різних фізичних величин. Процеси проектування мікро- і наноелементів та вибір технологічного процесу їх виготовлення мають свої особливості. Особливо це стосується розробки механічних чутливих елементів мікроперетворювачів енергії. Чутливий елемент мікроперетворювача енергії повинен сприймати механічні коливання і ефективно їх перетворювати в електричний сигнал, а також мати можливість рекуперувати електричну енергію. Тому перетворювач енергії необхідно укомплектовувати системою, яка контролює усі ці перетворення. Для реалізації оптимальної структури перетворювачів енергії та задоволення вимог ринку до собівартості в комплексі з масогабаритними характеристиками продовжуються пошуки нових технологій. Використання можливостей мікро- і нанотехнологій, дає змогу проектувати ефективні мікроперетворювачі механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал різного призначення. Аналіз мікро- і нанотехнологій показує, що мікровиконання перетворювачів уможливлює використання мікро- і нанотехнології при виготовленні великих серій різного застосування, що зменшує їх собівартість, а також забезпечує відтворюваність  їх енергетичних характеристик в спеціальних умовах.
Дослідження мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал показують, що подальшим кроком у розвитку мікроперетворювачів, зменшенні їх розмірів і покращення  енергетичних характеристик є перехід від елементної бази мікроелектроніки і мікросистемної техніки до наноелектронної і наносистемної техніки, завдяки чому забезпечується ефективність розроблюваних систем..
На сьогодні найбільш використовуваними є дві мікротехнології: поверхнева (планарна) і об’ємна. У першій технології потрібно враховувати властивості використовуваних матеріалів плівки (поверхневого шару). Особливо це стосується механічних напружень у плівці при виготовленні чутливого елемента.  Аналіз  як планарних, так і об’ємних технологій, а також передньобічної і задньобічної обробки поверхонь основи, ізотропного і анізотропного травлення з погляду виробництва необхідних структур об’ємних чутливих елементів, їх структур всередині основи, а також використання структурних і жертовних шарів при можливому виготовленні окремих мікро- і наноелементів мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал засвідчив необхідність індивідуального підходу при виборі і використанні окремих технологій. Загальної технології для виготовлення мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал наразі не існує.  Найбільш опрацьованими є технології виготовлення мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, які сприймають коливання і вібрації за однією і за двома координатами, для їх виготовлення можуть використовуваться планарні технології. Інтегрування одно- координатних і двокоординатних мікроперетворювачів дає змогу створювати інтегральний мікроперетворювач, який здатен перетворювати об’ємні  коливання і вібрації в електричний сигнал. Однак, як показує аналіз, виникають труднощі при виготовленні монолітного чутливого елемента. Виготовлення монолітного чутливого елемента пов’язане з формуванням його об’ємної структури. Для цього можна використовувати види обробки, базовані на селективному (вибірковому) травленні переднього і заднього боків основи. Вони дають змогу формувати на завершальному етапі виробництва необхідні структури об’ємних чутливих елементів чи їх структуру в самому об’ємі основи. При травленні задньобічної поверхні на передній бік попередньо наноситься шар-стоп, до якого здійснюється вибіркове (селективне) задньобічне травлення. Селективне травлення виконується до кількох відсотків мікрометрів матеріалу основи і глибиною, яка визначена стоп-шаром. Другим методом об’ємної мікротехнології, який використовується для більших товщин, є метод керування  процесом за допомогою спеціальних отворів. Його неможливо використовувати для отримання елементів малої товщини. Аналіз показує, що перший метод стоп-шару має переваги при розробці елементів малої товщини. 
Що стосується методів локальної мікрообробки, то найчастіше використовується ізотропне травлення. Кристалічна орієнтація гратки основи не впливає на профіль травлення. Як ізотропні речовини використовують травники на основі плавикової і азотної кислот. На ідентичність формованих елементів, їх геометричних параметрів впливає швидкість травлення основи, яка визначається типом травника, його температурою, швидкістю відведення продуктів травлення, наявністю дефектів у матеріалі й іншими параметрами, які важко контролювати. Швидкість анізотропного травлення залежить від кристалографічної орієнтації основи, щільності пакування атомів у різних площинах і зв’язку поверхневих атомів як між собою, так і з атомами, розміщеними в об’ємі основи. Анізотропне травлення здійснюється поетапно, видаленням атомарних шарів з поверхні основи, що уможливлює ступеневе формування структури елементів. Основною превагою анізотропного травлення порівняно з ізотропним травленням є його цілеспрямованість.
Використання поверхневої мікрообробки дає змогу формувати елементи малої товщини, тобто елементи на плівці. Обробка використовує травлення шарів, нанесених на поверхню основи. Для рухомих елементів використовуються так звані жертовні шари, які після їх видалення на завершальному етапі процесу виготовлення за допомогою травлення звільняють рухомі елементи конструкції чутливого елемента.
Щодо впливу технології на технічні та енергетичні характеристики мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал можна зауважити, що ця технологія надає можливість формування в основному тонкі структури складових чутливого елемента, тобто зменшувати розміри елементів, як також уможливлює формування великої кількості елементів на одній плівці, що є неможливим для об’ємної технології. 
Аналіз мікро- і наноелектромеханічних систем та елементів мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал показує, що для розв’язування задач перетворення об’ємних вібрацій в електрику, тобто тих, що відбуваються за трьома взаємно перпендикулярними осями, можливі два методи. Перший метод використовує зінтегровані одноосеві мікроперетворювачі, які розміщуються на об’єкті відповідно до осей чутливості об’єкта. Незважаючи на те, що подібні системи забезпечують вирішення поставленої задачі, цей блок може бути громіздким, що в окремих випадках буває недопустимим. Другий метод дає змогу формувати потрібну кількість сенсорів із системою опрацювання інформації в одному технологічному процесі з використанням групових методів обробки. У цьому випадку система виконується у вигляді інтегральної мікросхеми. Однак з урахуванням того, що, як уже відзначалося вище, планарна технологія виготовлення мікромеханічних перетворювачів на основі жертовних шарів при створенні чутливих елементів не забезпечує однакової чутливості по різних осях, особливо по осі, перпендикулярній до основи, розробка мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал з єдиним монолітним чутливим елементом є актуальною проблемою. Необхідно відзначити, що при створенні мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал чутливий елемент виготовляють відповідно до кремнієвої технології, тоді як при виготовленні елементів опрацювання сигналу використовують традиційні процеси мікроелектроніки. Загалом технологія створення мікросистем є похідною від технології виготовлення електронних компонентів. Використовуються також техніка розробки масок, фотолітографія, мікрообробка тощо. Тому собівартість цих робіт відносно невелика. Однак розробка прототипу має велику собівартість, обумовлену необхідністю інтегрування різних елементів у єдину конструкцію. Для її зменшення використовують різні комп’ютерні технології проектування. Мікровиконання перетворювачів дає змогу використовувати  мікро- і нанотехнології при виробництві  великих серій, що зменшує їх собівартість, а також забезпечує відтворюваність енергетичних характеристик. Останнім часом перспективним напрямом розвитку є наноелектромеханічні системи. До них відносять мікросистеми, які або самі складаються з малорозмірних елементів, або охоплюють елементи, розміщені на нановідстані. Робота таких перетворювачів базується на фізичних ефектах, які проявляються на малих відстанях, де потрібно враховувати дію атомарних сил чи тунелювання електронів. До переваг цього напряму окрім перспективності, зменшення собівартості і масового тиражування перетворювачів відносять також повишення їх фізичних властивостей. Потрібно також враховувати, що використання МЕМС-технології накладає певні обмеження на конструкцію проектованих мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал. Особливо це стосується використання планарної технології при виготовленні плоских структур, у яких товщина значно менша за довжину. Труднощі виникають і при формуванні необхідних параметрів пружних елементів. При проектуванні мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал необхідно враховувати також вплив температури на їх параметри, тому необхідно вибирати матеріали з однаковими коефіцієнтами температурного розширення, враховувати зміну модуля пружності та добротності системи. Неврахування цих факторів може призвести до виникнення внутрішніх механічних напружень, які спричинятимуть зміну структури проектованих мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал.

2.3. Методологія використання нових фізичних ефектів і рекомендації з їх вибору при проектуванні мікрогенераторів
Як відзначає у своїй статті лауреат Нобелівської премії Ж.І. Алферов [15], використання малорозмірних структур є найперспективнішим при розробці нових поколінь електронної техніки. Однак у системах нанометрового рівня проявляються квантові ефекти, що потрібно враховувати при розробці таких перетворювачів, зокрема мікрогенераторів. Тобто, перехід до мікро- і наномеханічних перетворювачів пов'язаний із використанням здобутків в нанотехнологій і нових фізичних ефектів. Вибір фізичних ефектів, які закладаються в основу дії мікрогенераторів, значно впливає і на ефективність роботи.
Таким чином, використання нових фізичних ефектів при синтезуванні мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал надає їм нові суттєві властивості, а саме: незначні розміри і вага, низька собівартість і можливість масового виробництва з використанням напівпровідникових технологій, вища ефективность роботи. Тобто, ефективність перетворення механічних коливань і вібрацій в електрику проектованих мікрогенераторів залежить від оптимального вибору як структури перетворювача, так і тих фізичних ефектів, на основі яких вона реалізується, а також від принципів побудови систем передачі електроенергії. При цьому розробка структури мікрогенератора механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал базується на процесах квантової фізики використовуваних ефектів, що пов’язано з мікро- і нанорозмірами та переміщеннями. При зменшенні розмірів елементів мікро- і наносистем суттєвими стають збурення, які не впливали і не враховувалися на макрорівнях, а в окремих випадках – і на мікрорівнях. Потрібно враховувати не тільки залишкові механічні напруження, а й вплив пружних, інерційних, флуктуаційно-дисипативних властивостей залишкового газового середовища, а також теплових і акустичних полів.
Конструктивно на поверхні кристала кремнію формується об’ємний рухомий чутливий елемент, що сприймає  механічні коливання і вібрації, які за допомогою фізичних ефектів (ємнісного, індуктивного, п’єзо характеру тощо) перетворюються в електричний сигнал. На практиці найширшого використання набули ємнісні, п'єзоелектричні й електромагнітні ефекти, що пов’язано з простотою виготовлення чутливого елемента перетворювача та іншими його перевагами (табл. 4). 
У структурах мікрогенераторів при їх виготовленні можливе використання таких основних фізичних ефектів як: 
- п'єзоелектричний;
- електростатичний;
- магнітоелектричний;
- термоелектричний;
- гальвано- та термомагнітний;
- оптичний.
Однак останнім часом, як показав аналіз, фірми активно працюють над використанням нових квантових ефектів, на основі яких працюють вуглецеві та напівпровідникові нанотрубки. Використання цих ефектів при проектуванні мікрогенераторів дасть змогу отримати продукти з новими енергетичними характеристиками і повишеної надійності. Недоліки й переваги різних використовуваних фізичних ефектів при перетворенні механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал наведено в табл. 4.
Таблиця. 4. Недоліки та переваги різних методів перетворення механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал
	Метод перетворення механічних коливань і вібрацій, фізичний ефект	
Переваги	
Недоліки	
1	П’єзоелектричний	Можливість використання за високих температур 
Широкий частотний діапазон  Можливість використання мікротехнологій при виготовленні               Достатньо висока вихідна напруга від 2 до 12 В Висока щільність енергії	Крихкість п’єзоматеріалів і їх зміна властивостей п’єзоматеріалів з часом.
Зменшення чутливості при переході до нанорозмірів.	
2	Електромагнітний	Широкий частотний діапазон Висока надійність
Відсутність механічних контактів	Складність у мікровиконанні.
Порівняно великі габарити	
3	Ємнісний	Простота виготовлення і можливість використання мікротехнологій
Висока чутливість
Широкий діапазон  робочих температур	Малий проміжок між електродами (до 1-2 мкм) і необхідність застосування механічних обмежувачів руху. Вплив вологи. Необхідність додаткового джерела енергії	
4	На основі використання квантових ефектів(використання вуглецевих і напівпровідних нано трубок)	Нанометрові  характеристичні розміри чутливих елементів	Розробки на стадії досліджень	
5	Термоелектричний	Можливість  використання за високих температур	Наявність в конструкції мікроперетворювачів елементів з високою температурою	
6	Оптичний	Нечутливість до впливу електромагнітного поля	Вплив дифракції	

2.3.1. Квантові ефекти й особливості їх використання при проектуванні  мікроперетворювачів
Під макроскопічними квантовими ефектами розуміють квантові ефекти в квантових макросистемах: ефекти надпровідності, низькотемпературних тунельних хімічних реакцій, ефекти в напівпровідникових наноструктурах[15]. При аналізі квантових структур розрізняють мезоскопічний рівням, який є проміжним між мікро- і макрорівнем. На ньому проявляються природні властивості поведінки систем, які дають змогу краще зрозуміти перебіг фізичних процесів, а також уможливлюють їх моделювання і практичну реалізацію. Тобто, розрізняють класичний мікро-, квазікласичний мезо- і квантовий макрорівні. В залежності від рівня досліджуваної фізичної системи застовуються і відповідні методи їх опису: класичний, квазікласичний і квантовий.
Виділення мікро-, мезо- і макросистем спрощує аналізування чутливості конкретної системи чи перетворювача до мікрозбурень на рівні мікроенергій hwc (wc – характерна частота системи, h – стала Планка), або до макрозбурень, або для конкретного масштабу величин у мезоситуації. При аналізі роботи перетворювачів на нанорівні необхідно враховувати, що властивості наночастинок використовуваних матеріалів можуть значно змінюватися порівняно з властивостями мікрочастинок того ж матеріалу, починаючи, як це відзначалося вище, з критичного розміру 10–100 нм. Цей  критичний розмір може бути різним і змінюватися в залежності від аналізованих механічних, електричних, магнітних, хімічних характеристик.
Особливо необхідно враховувати розмірні ефекти при наномасштабних структурах, наприклад, при проектуванні мікроперетворювачів механічних величин з ємнісними перетворювачами переміщення чутливого елемента під впливом зовнішнішньої дії. Потрібно враховувати частку атомів у тонкому приповерхневому шарі товщиною близько 1 нм, яка може зменшуватись, що, відповідно впливатиме на характеристики перетворення енергії. Необхідно також враховувати поверхневі ефекти, оскільки відомо, що атоми, які містяться на поверхні матеріалу і в його об’ємі, зв’язані із сусідніми атомами дещо інакше. Тобто, на поверхні може бути інший порядок розміщення атомів, а це може впливати на характеристики, наприклад, елемента електростатичного перетворювача – конденсатора. Особливо цю ситуацію необхідно враховувати при виготовленні об’ємних чутливих елементів перетворення механічних коливань в електричну енергію. Наявність різних виступів, площин, впадин сприяє зменшенню координатних чисел атомів (які визначають кількість найближчих частинок: іонів чи атомів в молекуле або кристале) які там містяться, порівняно з атомами, які містяться в об’ємі. Тому виникає специфічний приповерхневий стан, який може характеризуватися новими властивостями. При аналізі динаміки в окремих випадках необхідно враховувати квантові ефекти.
Як уже відмічалося раніше, аналіз руху, наприклад,  центра  мас чутливого елемента, навіть у стані спокою, показує, що він не може перебувати в рівновазі, тому що, крім теплових флуктуацій, центр мас має і флуктуації квантової природи. Порівнюючи опис систем на рівнях класичної та  квантової механіки, потрібно відзначити, що в класичній механіці перехід до статистичного опису системи виконується у випадку її хаотичної поведінки, тоді як у квантовій системі можливий тільки статистичний опис поведінки. При розгляді механічних властивостей чутливих елементів у мікро- і наномасштабах необхідно враховувати зміну фізичних властивостей на різних рівнях: від мікромасштабів до атомних розмірів. На атомному рівні можлива різка зміна, пов’язана з дискретно-атомною структурою і її квантово-механічною поведінкою. Це особливо потрібно враховувати при проектуванні наноперетворювачів з використанням вуглецевих нано- і мікротрубок, багатошарових плівок, композитів із нановолокнами, флюрогенів.
Особливий інтерес при проектуванні перетворювачів механічної енергії в електричний сигнал становить використання фулереноподібних матеріалів, вуглецевих нанотрубок, які формуються скрученими у різних напрямках графітових площин із закритими на кінцях клітковими вуглецевими напівсферами. Їх використання дає можливість отримувати нанотрубки із вигинами і розгалуженнями. Тобто можливо формувати  чутливий елемент розроблюваного мікроперетворювача необхідної форми і структури, а також механічні елементи на квантовому рівні необхідної структури з розмірами  від 1 до 10 нм в діаметрі і довжиною від 100 до 1000 нм [15].
Для опису механічних властивостей проектованих нанорозмірних перетворювачів, а також для опису властивостей мікроперетворювачів, побудованних із використанням товстих мікро- і нанотрубок, розміри яких менші 100 нм, можливо використовувати квантову теорію[15], в інших випадках - механіку суцільних середовищ. 
Оскільки мікрогенератори – це електромеханічні структури, то перехід до наноелектромеханіки тісно пов'язаний із використанням нанотехнологій і нових фізичних ефектів. Можна отримувати ефективні перетворювачі, оскільки частотний діапазон механічних коливань наноелементів наближається до кругового і коливального спектрів молекул. Це також дає змогу значно покращити експлуатаційні параметри розроблюваних засобів. 
2.3.2. Рекомендації  з вибору нових фізичних ефектів при проектуванні мікрогенераторів
Важливим у методології використання фізичних ефектів при розробці мікрогенераторів є застосування банку фізичних ефектів, який існує в системі інженерної творчості [103]. На основі аналізу і досліджень стану розробок мікрогенераторів з використанням МЕМС - нанотехнологій і нових фізичних ефектів можна констатувати, що незважаючи на те, що швидкий розвиток різних галузей науки і техніки сприяє мікромініатюризації не тільки електронних компонентів і систем, але й механічних, процеси проектування мікро - і наноелементів та вибір технологічного процесу їх виготовлення, як уже відзначалося вище, мають свою специфіку. Особливо це стосується розробки чутливих елементів мікрогенераторів. Для реалізації структури нового виду мікрогенераторів необхідно інтегрувати різні фізичні ефекти, від правильного використання яких залежать як конструктивні параметри, так і енергетичні.
При зменшенні об’єму, а також лінійних координат до нанорозмірів проявляються нові якості, які можна використовувати при побудові нового класу мікро – і наноперетворювачів. Дослідження молекулярних нанометрових ансамблів показали їх вибіркову чутливість до зовнішнішних збурень (освітлення, атмосфери, вібрацій). Це дає змогу використовувати їх при конструюванні різних мікроперетворювачів енергії, у тому числі й з електронно-іонною провідністю. Становить інтерес використання останніх досягнень у нанотехнологіях, зокрема нових нещодавно відкритих футуристичних технологій (emergent аnd futuristic technologies) [104]. Ці технології активно досліджуються, і вчені сподіваються отримати вагомі результати з розробки пристроїв на молекулярному рівні, зокрема і одномолекулярних. Тобто розглядається можливість розробки пристроїв, у яких основним елементом, що сприймає зовнішнє збурення, може буде молекула, яка повинна бути добре організованою квантовою системою. В таких наноструктурах окремі молекули можуть виконувати роль окремих функціональних елементів. Їх можна використовувати при розробці конкретних мікроперетворювачів механічних величин в електричний сигнал, які будуть характеризуватися новими фізичними властивостями і параметрами.
Таким чином, можно сформулювати основний критерій вибору фізичних ефектів при проектуванні мікроперетворювачів механічних величин в електрику, який заключається в  мінімізації технічних характеристик і повишенні коефіцієнта перетворення механічної енергії в електричну (ККД). Цей критерій особливо задовольняють мікроперетворювачі, побудовані на основі використання квантових ефектів і нанотехнологій, а також при застосуванні ємнісного,  електромагнітного і п’єзоефектів.
2.4. Методи інтеграції механічних і електричних елементів мікро- і наноелектромеханічних систем на одному кристалі
Проблеми інтеграції елементів на кристалі виникають особливо часто при розробці автономних бездротових систем моніторингу довкілля нового покоління. Ці системи також можуть використовуватися для моніторингу зовнішнього міського середовища, заводських приміщень і територій тощо. Для живлення таких об’єктів і систем пропонується використання енергії від довкілля. Над вирішенням цих проблем працюють  багато фірм і лабораторій.  Так, за  європроектом [16] до консорціуму входять науково-дослідницькі лабораторії CNRS, CEA, Кембридж й інші, а також промислові ST Micro, Фалес, IBM і Intel. На фінансування цих робіт заплановано виділити близько 1 мільярдів євро на 10 років.
Методи інтеграції, згідно з ними розробленою класифікацією, поділяються на такі групи:
-	інтеграція елементів електронної техніки з механічними частинами чутливих елементів на одному кристалі, які перетворюють коливання навколишнього середовища в електричний сигнал;
-	інтеграція різних видів перетворювачів: п’єзо з електромагнітними,  п’єзо з ємнісними (електростатичними), електростатичних з магнітними, а також сонячного випромінення;
-	інтеграція окремо одного і різних типів перетворювачів з метою підвищення ефективності їх роботи;
-	функціональна інтеграція.
Інтеграція на кристалі елементів електронної техніки з механічними частинами чутливих елементів, які перетворюють коливання навколишнього середовища в електричний сигнал. Дослідження інтеграції мікроелементів і елементів мікроперетворювачів енергії (п’єзо, електростатичних і магнітних), а також перспектив використання напівпровідникової мікроелектроніки показали, що вона відкриває нові можливості в розробці нових продуктів і систем мікроелектронної техніки, які дають змогу вирішувати важливі проблеми медицини та біології (розробки мікролабораторій на кристалі, різних імплантованих в організм систем тощо), довкілля, систем збору різного виду інформації. Інтеграція на кристалі дає можливість реалізовувати системи високої складності при малих матеріальних витратах.
Розвиток останніми роками систем на кристалі (SIP- SoC) сприяв  розвитку складних інтегральних схем, а також інтеграції вбудованного програмного забезпечення, можливості реалізації складних архітектур чутливих елементів використанню нових матеріалів для тих частин чутливого елемента, які зазнають деформування, і нових технологій виготовлення. Він також сприяв розвитку функціонального інтегрування, розширенню функціональних можливостей, компенсації зовнішніх збурень, підвищенню надійності та ефективності роботи систем. До функціонального інтегрування елементів останнім часом спостерігається значний інтерес, пов’язаний з розширенням додаткових можливостей розроблюваних мікроенергетичних систем.
Потрібно також відзначити, що процесам інтеграції механічних елементів з електронними елементами на кристалі сприяє технологія іMEMS (Іntegrated MEMS), яка є розвитком МЕМS-технологій (Micro Electro Mechanical Systems) [17].
Виготовлення подібного перетворювача може здійснюватися в такій послідовності [17]: на кремнієву підкладку (основу) спочатку літографічним способом накладається жертовний шар оксиду кремнію, відчиняються вікна для під’єднання чутливого елемента до електричної схеми і водночас піднімаються підпори, які утримують чутливий елемент на підкладці. Згори нарощується шар полікристалічного кремнію. Після цієї операції за допомогою літографії і травлення закріплюється чутливий елемент. Далі витравлюється жертовний шар для вивільнення чутливого елемента, який утримують пружні підвіси. По краях чутливого елемента витравлюються балки диференційного ємнісного перетворювача (рис. 1).

Рис. 1. Процес отримання мікромеханічної сенсорної структури акселерометрів ADI фірми Analog Devices (а): 1 – маска сенсорної структури (полікристалічний кремній); 2 – жертовний шар (SiO2); 3 – підкладка (Si);
б): сенсорна структура після травлення.
Завдяки зменшенню розмірів елементів їх інтеграція на одному кристалі, дає змогу також зменшити втрати генерованої потужності зумовлені нагріванням.
Інтеграція різних видів чутливих елементів перетворювачів: п’єзо з електромагнітними, п’єзо з ємнісними (електростатичними), електростатичних з магнітними, а також з комірками сонячного випромінювання. Проведений авторами аналіз інтеграції різних видів перетворювачів показав, що з погляду ефективності їх роботи доцільним є використання інтеграції чутливих елементів п’єзоперетворювачів з електромагнітними, п’єзоперетворювачів з ємнісними (електростатичними), електростатичних з магнітними перетворювачами, а також із комірками сонячного випромінювання. Це пояснюється  як суттєвими їх технічними перевагами порівняно з іншими перетворювачами, так і простотою їх конструкції.
Інтеграція альтернативних джерел енергії є важливою, оскільки дає змогу зменшити залежність перетворювачів коливань зовнішнього середовища від одного параметра, а також підвищити енергоефективність їх роботи.
Проведені дослідження методів інтеграції показали особливу перспективність інтеграції чутливих елементів п’єзоперетворювачів з електростатичними. Оскільки за необхідністі енергії від додаткового джерела живлення для роботи чутливих елементів електростатичних перетворювачів, вона може генеруватися за допомогою п’єзоперетворювача.
Також з цієї точки зору ефективною є інтеграція чутливих елементів електростатичних перетворювачів з магнітними. З точки зору ефективності  виправдовує себе інтеграція чутливих елементів п’єзоперетворювачів з електромагнітними. Так, дослідження п’єзомагнітних перетворювачів і їх інтеграції авторами A. Ertuk, J. Hoffmann,  D.I. Inman [18] показали, що вихідний сигнал інтегрованих п’єзомагнітних перетворювачів змінюється залежно від частоти коливань: на частоті 5 Гц – від 1,10 мВ (п’єзоперетворювач) до 1,57 мВ (п’єзомагнітний перетворювач) і на частоті 8 Гц – від 0,46мВ (п’єзоперетворювач) до 8.45 мВ (п’єзомагнітний перетворювач) (табл. 5). Тобто можна спостерігати значне посилення вихідного сигналу.

Таблиця 5. Зміна вихідного сигнала інтегрованих п’єзо перетворювачів
Перетворювач	Частота, Гц	
П’єзомагнітний, мВ	1,57	2,33	3,54	8,45	
П’єзо, 
мВ 	1,10	0,31	8,23	0,46	

Важливою є інтеграція нано- п’єзо перетворювачів з наносоняшними (комірками). Проведений аналіз доводить перспективність інтеграції сонячних елементів із нанорозмірними п’єзо перетворювачами [19].
Це особливо важливо для бездротових електронних систем живлення. У випадку, коли сонячне випромінювання відсутнє, працює п’єзо, що забезпечує безперевну роботу системи. Така комбінація наноперетворювачів має сумісну технологію на основі вирощуваних п’єзонанодротів із оксиду цинку і є перспективною (рис. 2).
                                
Рис. 2. П’єзонанодротяний перетворювач

Потрібно також відзначити, що на сьогодні вже існують окремі різновиди інтегрованих перетворювачів, проте їх інтеграція у більшості випадків є складною. Проведені дослідження показали, що завдяки інтегрованим перетворювачам можна значно збільшити ресурс роботи, особливо спеціальних систем. 
Інтеграція чутливих елементів перетворювачів окремо одного і різних типів з метою підвищення  ефективності їх роботи. Інтеграція одного і різних типів чутливих елементів перетворювачів дає змогу підвищити ефективність роботи системи, а також її надійність, що залежить від їх кількості. Найширше використовується інтеграція чутливих елементів п’єзоперетворювачів. Інтеграція виконується у вигляді декількох шарів п’єзоперетворювачів, кожен з яких генерує свій електричний сигнал. Зокрема описуються дві конструкції: одна містила 13 багатошарових п’єзоелементів, розміщених послідовно, а друга – розміщених паралельно [20, 21].

Контрольні запитання
1. Як впливають мікро- і нанотехнології на тенденції розвитку перетворювачів механічних величин?
2. Як змінюються властивості перетворювачів при їх зменшенні до мікро- і нанорозмірів?
3. Які існують методи інтеграції альтернативних джерел енергії?
4. Які фактори необхідно враховувати при проектуванні електростатичних (ємнісних) перетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електрику?
5. Які фактори необхідно враховувати при проектуванні мікроп’єзо перетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електрику?
6. У чому виявляється перспективність інтеграції сонячних елементів з п’єзоперетворювачами в нановиконанні?
7. Які фізичні ефекти використовуються при проектуванні мікроперетворювачів механічних величин в електрику?
8. Які основні недоліки та переваги різних методів перетворення механічних коливань і вібрацій в електрику?
9. Які мікротехнології на сьогодні використовуються найбільше?
10. У чому суть поверхневої і об’ємної мікротехнологій?
11. Яку роль виконують жертовні шари при можливому виготовленні окремих мікро - і нано елементів мікроперетворювачів?
Розділ 3. Математична модель мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, побудованих на основі використання мікротехнологій
3.1. Математична модель мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал
Розробка математичних моделей альтернативних джерел  перетворення зовнішніх коливань в електрику має велике значення при дослідженні, проектуванні мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, побудованих на основі використання мікротехнологій; при визначенні ефективності їх роботи і можливості отримувати максимальну вихідну потужність, а также надає змогу прискорити процес  їх розробки, підвищити ефективність розроблюваних систем, досліджувати вплив на їх параметри зовнішніх факторів, вихідну потужність різних варіантів конструкцій мікроперетворювачів і їх параметрів тощо. 
При моделюванні для конструктора важливо мати якомога простіші моделі, які описують вихідну потужність розроблюваних перетворювачів енергії коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал для їх чисельного аналізу. Процедура моделювання є складною, особливо для інтегрованих альтернативних джерел електричної енергії мікроперетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал. Ускладнення моделювання  інтегрованих мікро- і наносистем пов’язане з необхідносттю використовувати як класичні моделі опису структур, так і квантово-механічні. Для розробки математичних моделей альтернативних джерел  перетворення зовнішніх коливань в електричний сигнал використовують різні методи. Так, при використанні теорії чотириполюсників перетворювач можна подати 4-ри полюсником з вхідним сигналом у вигляді механічного коливання, і електричним вихідним сигналом. Вхідними змінними такого 4-ри полюсника можна бути також переміщення чутливого елемента та сила, яка формується чутливим елементом. Як вихідні змінні приймають зміну струму і напруги.
Нині для моделювання також пропонується використовувати як блочний, так і фізичний підходи [22]. При цьому використовуються різні програмні продукти, зокрема для блочного моделювання найкраще надаються пакети МАТLAB, EASY5 (MSC Software), VisSim (Visual Solution). 
При фізичному моделюванні використовується об’єктнo-орієнтована мова MODELICA, Оpen Modeliса. Ці пакети мають великий набір вбудованих бібліотек, які можна використати при розробці математичних моделей альтернативних джерел перетвороення коливань зовнішнього середовища в електрику.
При моделюванні  п’єзомікрогенераторів необхідно враховувати, що  використовується прямий ефект перетворення механічних коливань в електричний сигнал, а також розрізняти два популярні режими з’єднання п’єзоперетворювача з електронікою в залежності від напрямків поляризації п’єзоелемента і прикладеної сили, який умовно  позначається ’3’. Так, режим ’33’ означає, що заряди збираються на поверхні електрода перпендикулярно до напряму поляризації, коли сили розтягування, (чи стискання) прикладені вздовж осі поляризації. А режим ’31’ означає, що заряди збираються на поверхні електрода перерпендикулярно до напряму поляризації, коли  сила прикладена в напрямку перпендикулярному до осі поляризації. Процеси використання, як прямого, так і оберненого п’єзоефектів можна описати двома лінеаризованими рівняннями  згідно зі стандартом ANSI 176-1987 [23]:
                              {D}= [e]T{S}+ [αS] {E}   –      електричний ефект,
                                          {T}= [cE] {S}- [e] {E}   –      механічний ефект,
де {D} – вектор електричного зміщення; {T} – вектор напружень; [e] –матриця діелектричної проникності; [cE] – матриця коефіцієнтів пружності при постійній напрузі електричного поля; {S} – вектор деформацій; [αS] – діелектрична матриця коефіцієнтів пружності при постійній деформації; {E} – вектор електричного поля.
Можливі [24] різні моделі і схеми підʼєднання п’єзоперетворювачів (рис. 3 а,б).
Враховуючи механічну модель п’єзоперетворювача коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал (рис. 4), математичну модель механічної частини можна подати у вигляді рівняння [25]:
m y"1 +Cy'1 +k y1 = – m y"0.
Для оцінки максимальної потужності проектованої системи перетворення механічних коливань в електричний сигнал використовують залежність [25, 26]
Pmax= ½ m Aext ω Xlim.
Ця залежність дає змогу оцінити максимально можливу Pmax потужність, яку можна отримати конкретно з 1 см3 перетворювача при заданих вібраціях з частотою ω, амплітудою та масою чутливого елемента, яка може коливатися з амплітудою, що перевищує Xlim..

 

Рис. 3а. Моделі схем під’єднання п’єзоперетворювачів

Рис. 3 б. Моделі схем під’єднання п’єзоперетворювачів

Маса чутливого елемента                                                         Регулятор
 
                                                     П’єзоелемент                    Се         Система зберігання енергії
Рис. 4. Еквівалентна модель п’єзоелектричного генератора

Так, для m = 100 10-6 кг, Xlim =250 мкм, ω = 2 π 50 мс-1, мс-2 отримуємо для максимальної потужності Pmax= 37мкВат [27].
Електромеханічна модель мікроп’єзогенератора можна описати еквівалентною електричною схемою (рис.5), а саме: якщо механічна частина системи описується рівнянням
                               F= mm   dv/dt + rmv + 1/cm  ,	(1)
тоді еквівалентна їй електрична –  рівнянням
                                   F= L dI/dt  + RI + 1/C .	 (2)
Зв’язок (табл. 6) між механічною і електричною моделями різний для різних фізичних величин [28]. Наприклад [29], розглянемо модель електромагнітного перетворення коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал зі змінною резонансною частотою (рис. 6). Електромагнітний перетворювач має один або й більше постійних магнітів, що формують відповідні магнітні поля, в яких розміщується обмотка. В такій механічній системі під дією зовнішніх коливань y(t) виникають переміщення котушки u(t) відносно магніта (або навпаки), що згідно із законом Фарадея забезпечують генерування в обмотці напруги. В залежності від конструкції електромагнітного перетворювача коливань зовнішнього середовища в електрику рухомими можуть бути як постійні електромагніти, так і котушка.

                                                     Ср                           Rp
                                               Rнавантаження
                                           ~ V п’єзо 
                                   Рис. 5.  Еквівалентна електрична схема п’єзогенератора

Таблиця 6
Співвідношення між величинами механічної та електричної моделей
Механічна модель	Електрична модель	
Величина	Позначення	Розмірність	Величина	Позначення	Розмірність	
Сила	F	[N], [Н]	Напруга	U	[V], [В]	
Швидкість	v	[m/c], [м/с]	Струм	I	[A], [А]	
Маса	mm	[kg], [кг]	Індуктивність	L	[H], [Г]	
Механічний опір	rm	[Ns/kg], [Нс/кг]	Електричний опір	R	[Ohm], [Ом]	
Механічна еквівалентна ємність	cm	[m/N], [м/Н]	Ємність	С	[F], [Ф]	

Рис. 6. Модель електромагнітного перетворення коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал зі змінною резонансною частотою
Враховуючи механічну модель електромагнітного перетворювача коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал (рис. 5), у якій замість п’єзоперетворювача використовується електромагнітний перетворювач коливань в електричний сигнал, математичну модель можна подати у вигляді двох рівнянь [30]: 
m y"1 +Cy'1 +k y1 = – m y"0 ,                                         
Bl y'1 = L q" +  (Ri +  R L) q'.
Згідно із законом Фаредея зміна магнітного потоку Ф, який проходить через поверхню котушки, спричиняє виникнення напруги U, пропорційної до швидкості зміни магнітного потоку Ф і кількості витків N котушки:
                      			 U = – N dФ/dt. 

Розглянемо[31, 32] модель електростатичного перетворювача коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал (рис.7–9) по осях Х (рис. 8) і У (рис. 9).
Враховуючи механічну модель електростатичного перетворення коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал (рис. 5), у якій замість п’єзоперетворювача використовується електростатичний перетворювач коливань в електричний сигнал, математичну модель механічної частини можна подати у вигляді рівнянння: 

                    			   m y"1 +Cy'1 +k y1 = - m y"0  .
Енергія електростатичного перетворювача коливань в електричний сигнал описується формулою 

					W = U2 /(2Cзмін), 

де U – електричне навантаження (напруга), Cзмін – змінна ємність між обкладинками конденсатора.
Електростатичний перетворювач коливань в електричний сигнал характеризується співвідношенням між положенням рухомого електрода і значенням його ємності Cзмін(х). Робота електростатичного перетворювача коливань в електричний сигнал залежить від його геометрії (рис. 8, 9).

Рис. 7. Схема включення електростатичного перетворювача коливань в електричний сигнал _____Х
Рис. 8. Схема електростатичного перетворювача коливань в електричний сигнал по осі Х 

     I Y                                                     

Рис. 9. Схема електростатичного перетворювача коливань в електричний сигнал по осі Y
Максимальна потужність, яку можна отримати при використанні електростатичного перетворювача коливань в електричний сигнал при заряджених електродах, описується виразом [33] 

P max ≈ ¼{ /Cmin}.

Для схеми мікрогенератора з одним конденсатором, джерелом живлення (Uo), трьома діодами (D1–D3), одним постійним і одним змінним конденсаторами поведінку мікрогенератора описано [34] такою моделью:
dq1/dt  = ID2 +  ID1 – ID3,
dq2/dt  = ID3 –  ID1,
d2z/dt2  + ωo/Q  ∙dz/dt  + ω2oz  – 4 q12 z / (2mCodo2)    = – ao/bo ∙ sin(ωt),

де q1  і q2  – заряди на обкладках конденсаторів С1 і С2, відповідно; ID1 ,  ID2  і ID3 –струми діодів D1, D2, D3, відповідно; ω – кутова швидкість зовнішніх механічних коливань (ωo=√k/m); Q – добротність механічної частини перетворювача; z = x/do  та х – відповідно, відносне та абсолютне зміщення рухомого електрода, do – початкова відстань між електродами.
За отриманими аналітичними виразами можна оцінити потужність перетворювачів такого типу.
Математична модель, яка описує залежність електростатичної сили Fel, що виникає між обкладками (пластинами) електростатичного конденсатора, від прикладеної напруги, описується виразом [35–37]:
Fel = C U2/2d,
де C =εo ε S/d – електрична ємність, S – площа пластин, d – проміжок між пластинами конденсатора, εo, ε – діелектричні проникності у вакуумі та матеріалі між пластинами конденсатора, відповідно; U – прикладена напруга. 
Повна математична модель електростатичного конденсатора, яка описує зміщення його пластин при дії на нього зовнішньої сили F, - це диференційне рівняння другого порядку:
m d2l/dt2   + b dl/dt + kl = F,
де F  = Fа  + Fel, l – зміщення; F – сумарна прикладена сила; Fа – механічна сила; m – маса пластини; b – коефіцієнт демпфування; k – коефіцієнт пружності пружини.
3.2. Вплив різних механічних і електричних параметрів на ефективність перетворення механічної енергії в електричний сигнал, в тому числі крайових
Дослідження структури мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал є особливо актульною задачею при синтезуванні та практичній розробці мікроперетворювачів цього типу. Необхідно дослідити основні вузли мікроперетворювача чи системи, уточнити їх фізико - механічні характеристики з метою прогнозування їх надійності та ресурсу роботи. Аналіз показує, що ефективність роботи мікроперетворювачів визначається насамперед їх структурою, типами і кількістью їх складових елементів та способами їх зв’язку (взаємодії). Проектування мікроперетворювачів зводиться до вибору такої структури і стратегії, які забезпечуватимуть реалізацію заданих функцій генерування електричної енергії і які лімітуються заданими обмеженнями (продуктивністю, вартісттю) та критерієм ефективності.
Необхідно відзначити, що нині публікується велика кількість статей і монографій, присвяченних дослідженню мікро- і наноструктур. Підвищена зацікавленість ними пов’язана з можливістю отримання нових матеріалів з новими характеристиками, які пов’язані з новими напрямами розвитку нанопромисловості, а також з можливістю побудови на їх основі нових перетворювачів механічних коливань в електричний сигнал та підвищення ефективності їх роботи. Особливо це стосується інтегрованих структур перетворювачів. Такі структури мікроперетворювачів можуть інтегрувати декілька механічних елементів, які забезпечують ефективність їх функціонування. Потрібно також враховувати велику кількість задач, які пов’язані з їх мікророзмірами. Пропорційне зменшення габаритних розмірів проектованого мікроперетворювача відносно його структури в макророзмірах, як уже вище зазначалося, не зберігає властивостей макроструктури [38], виникають нові якості такого мікроперетворювача. Це може бути збільшення власної частоти, покращення динамічних параметрів, підвищення ефективності роботи перетворювача тощо.
Таким чином можно вімітити, що структура і розміри перетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал мають суттєве значення особливо при проектуванні мікророзмірних п’єзоперетворювачів, електростатичних, магнітних, а також наноперетворювачів.
Дослідження мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал показують, що на ефективність їх роботи впливають як зовнішні чинники, так і конструктивні параметри. До основних факторів впливу належать: температура, внутрішні механічні напруження елементів, електрофізичні характеристики використовуваних матеріалів тощо. Температурні дослідження дають змогу визначити температурний режим роботи перетворювача, а також його вплив на ефективність роботи.
В цих альтернативних джерелах електрики для перетворення механічних коливань і вібрацій використовуються механічні переміщення чутливих елементів, які можуть викликати виникнення внутрішніх напружень в елементах, а отже, впливати на ефективність роботи останніх. Можливі випадки  локального  перегріву окремих елементів. Некоректність вибору режиму охолодження може призвести до виходу конструкції з ладу чи до її непрацездатності. Крім того, температурні поля можуть провокувати паразитні деформації, що зрештою буде впливати на працездатність конструкції.
Зміна температури обумовлює також і зміну лінійних розмірів структури мікроперетворювача, наприклад, чутливого елемента (балки п’єзоперетворювача). В конструкції мікроперетворювача можуть виникати внутрішні механічні напруження, порушуватися геометрична форма. Це може призвести до зміни частотних властивостей чутливого елемена, зміни ефективності його роботи як генератора електричного сигналу, зменшення терміну його роботи і надійності мікроперетворювачів.
Зміна температури особливо впливає на балочні перетворювачі  коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал, що будуються  на основі використання п’єзо - і ємнісних перетворювачів переміщення чутливого елемента. Водночас вона викликає і зміну характеристик п’єзоперетворювача та знижує ефективність його роботи, може зумовити також і зміну його динамічних характеристик, що теж впливає на ефективність перетворення механічних коливань в електричний сигнал. Зміна температурного поля приводить також до виникнення додаткових напружень і неврахованих деформацій конструкції п’єзомікроперетворювачів коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал, побудованих у вигляді як консольної балки, так і біморфних конструкцій.
Процедура розрахунку картини розподілу температурних напружень у конструкції полягає у послідовному розв’язанні двох статичних задач –теплопровідності та пружності (для задачі пружності температурні деформації розглядаються як зовнішні навантаження).
Вплив зміни температури викликає також і зміну електрофізичних властивостей матеріалів, що використовуються для виготовлення мікроперетворювачів, зокрема через вплив на рухливість носіїв, ширину забороненої зони, коефіцієнти перекриття тощо. Для компенсації впливу зміни температури використовують різні схеми компенсації і термостабілізації. Встановлено [39-41] певні обмеження на використання п’єзоперетворювачів, пов’язані з механічною міцністю.
Окремі елементи мікроперетворювачів впливають на їх характеристики, а саме: на масу, розміри, надійність, безпеку, екологічність, мобільність, здатність до тиражування, економічність, ефективність роботи.
Механічні деформації обмежують термін роботи п’єзоперетворювачів, а також робочу амплітуду коливань і робочу частоту. Ці параметри залежать від структури балки, вибраного матеріалу, а також розмірів таких перетворювачів. Зміна геометричних розмірів може суттєво позначитися на зміні чутливості до фізичних величин при зменшенні їх розмірів від макро - до мікро [42], а також підвищити ефективність їх роботи.
Одночасно дослідження жорсткості дає змогу оцінити фізико-механічні характеристики рухомої частини балки чутливого елемента мікроперетворювача (генератора) зовнішніх коливань в електричний сигнал, тобто залежність деформації від навантаження, яке розвивається внаслідок зовнішніх коливань. Жорсткість S у потрібній точці та залежність «навантаження – деформація» чутливого елемента при його зовнішніх навантаженнях розраховується з урахуванням геометрії пружного елемента і властивостей конструкційних матеріалів за формулою [43http://www.spacecorp.ru/press/publications/rss/]:
S= (dP/dh)I,
де Р – значення прикладеного навантаження, h – прогин.
При визначенні впливу жорсткості конструкції чутливого елемента перетворювача на практиці потрібно враховувати схему навантаження чутливого елемента, можливі випадки не зовсім коректного розрахунку розмірів, що викликає вплив жорсткості, та оцінки потенційних можливостей мікроперетворювачів. У всіх цих і подібних випадках виникає пружнодеформований стан чутливого елемента, який може негативно впливати на його працездатність, надійність та на міцність.
Важливим при проведенні досліджень термо- і пружнодеформованого стану чутливого елемента з використанням методу скінченних елементів є вибір дискретної моделі досліджуваного елемента, а саме: типу використовуваних скінченних елементів (лінійних, квадратичних та інших), їх кількості і ступеня щільності. При цьому необхідне досягнення компромісу між необхідною точністю результатів розрахунків і доступними ресурсами ЕОМ (пам’яттю і тривалістю розв’язання задачі). Найпростішими і, відповідно, найчастіше використовуваними є шестигранні тривимірні скінченні елементи з лінійним законом інтерполяції, функції яких шукають у межах елемента. Однак, як показує аналіз [97],  використання таких елементів призводить до значного збільшення самих вузлових елементів. Якщо переміщення і температуру ще можливо обчислити з прийнятною точністю, то одержати вірогідні значення деформацій і напружень (чи градієнтів температур) на елементах практично досить складно, особливо, коли за наявності згину. З цієї  причини розрахунки можна проводити на сітках із шестигранних двадцятивузлових елементів з квадратичним законом інтерполяції заданої функції на них. За аналізом епюр розподілу деформацій напружень і переміщень робляться висновки, які необхідно враховувати при конструюванні мікроперетворювачів. Частково напруження і деформації компенсуються правильним вибором конструкції перетворювачів. Тобто, там, де це можливо, використовують плівкову конструкцію перетворювачів із малим співвідношенням товщини плівки і підкладки. В цьому випадку напруження концентруються у плівці й меншою мірою впливають на параметри перетворення сигналу.
При виготовленні перетворювачів для зменшення термонапружень використовують наступні методи [44]:	   							- формування на планарному і непланарному боках кристала плівок чутливого елемента однакової товщини;								- легування плівок домішками - компенсаторами;					- покриття плівок боросилікатним (БСС) і фосфоросилікатним (ФСС) склом;													- зменшення кількості високотемпературних термічних операцій;		- зменшення температури формування ізоляційних плівок (окиснення за великих тисків, осадження  плівок плазмохімічним і хімічним методами);		- формування вбудованих  компенсаторів.						Однак використання окремих процедур, наприклад, для поліпшення частотних характеристик, може призвести до зниження надійності, погіршення масових характеристик тощо, тому для підвищення ефективності роботи мікроперетворювачів пропонується використовувати комплексний підхід при їх розробленні. Отже, на попередньому етапі потрібно системно проаналізувати мікроперетворювачі фізичних величин з охопленням усіх його ланок: 
- перетворення вхідного сигналу, його опрацювання та передавання (зокрема, і на фізичному рівні);
- технології виготовлення, вплив  різних технологій;
- використання і вплив зовнішніх факторів.
Потрібно також враховувати влив температурних збурень, а для електростатичних перетворювачів ще й аналізувати вплив електростатичних полів, оскільки зміна електричного поля може викликати зміну переміщення чутливого елемента, тобто зміну ефективності його роботи.
Для визначення впливу дефектів і конкретних властивостей використовуваних у процессі проектування матеріалів, а також впливу можливих технологічних параметрів застосовуються спеціальні методики, які дають змогу прогнозувати властивості конкретних перетворювачів, пов’язані із дефектами форми. Ці методики розроблені на основі інженерного, а також скінченноелементного аналізу [45]. 
Це саме стосується і зміни електромагнітної сили в електромагнітних мікроперетворювачах при зміні геометричних розмірів хоча би за однією із координат провідника.
Матеріал і геометричні розміри особливо впливають на характеристики мікроперетворювачів енергії мікрофонного типу.
Таким чином, можна відзначити, що велика кількість задач, які викають перед конструктором при розробці мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, в першу чергу пов’язана з мікророзмірами перетворювачів. Пропорційне зменшення габаритних розмірів проектованого перетворювача відносно його структури в макророзмірах, як уже відзначалося, не зберігає властивостей макроструктури [46], з’являються нові якості, що характеризують такий перетворювач. Це можуть бути підвищені власні частоти і покращені динамічні параметри, вища ефективність роботи перетворювача тощо.
Дослідження структур чутливих елементів підтверджує, що найближчими до оптимальної є структури трапецієподібної форми. Особливо це стосується інтегрованих мікроперетворювачів. Однак через  простоту виготовлення на практиці часто використовуються квазіоптимальні структури прямокутної форми.
Ліквідація впливу різних факторів може виконуватись наступним чином:
- компенсацією – за допомогою додаткової ланки контролювання і коригування корисного сигналу;
- алгоритмічними методами – вихідний сигнал коригується в залежності від закону зміни фактора впливу;
- вибором оптимальних умов роботи (стабілізація температури, тиску, захист від зміни вологи тощо).
Таким чином, можна відзначити, що основні параметри мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал залежать від:
- товщини початкової пластини кремнію для виготовлення рухомих частин елементів структури мікрогенераторів;
-  технології виготовлення рухомих елементів;
- суміщення топології рисунків лицьового боку з протилежним боком кристала;
- орієнтації поверхні пластини кристала відносно площини ‹100›;
- геометричних розмірів конструкції.
Що стосується електростатичних мікроперетворювачів, то при їх розробці необхідно враховувати ефект залипання електродів при мінімальних проміжках між електродами. Для попередження залипання обкладок конденсатора до структури перетворювача потрібно вводити, наприклад, спеціальні обмежувачі переміщення ємнісних обкладок (пластин).
Важливим є також дослідження і врахування впливу крайових ефектів на роботу мікроперетворювачів. Особливо це важливо для ємнісних мікроперетворювачів. Для контролювання дефектів у кристалах кремнію використовують оптичні методи, наприклад установку HITACHI [46] зі ступенем розпізнавання 70 нм. Для технологічного контролювання використовують електронні мікроскопи. Лазерні комплекси дають можливість маніпулювати множиною об’єктів за трьома координатами. Еліпсометри Nanofilm [47] дають змогу вимірювати товщину плівок з вертикальним розділенням 0,1 нм. 
Потрібно також враховувати можливість появи ємності, яка може формуватися через перекриття пластин конденсатора або виникати між торцевими поверхнями гребінки конденсаторів [47].
Без урахування крайових ефектів ємність між пластинами конденсатора з розмірами a і b, а також із проміжком між пластинами конденсатора d характерезується її однорідним розміщенням на площині і описується рівнянням
C = a b е еo /d,
де еo – діелектрична проникність вакууму; е – відносна діелектрична стала середовища між обкладками конденсатора.
При точних обчисленнях ємності необхідно враховувати сумарну, тобто і торцеву, ємність. На процес отримання оптимальної структури впливає також креативність колективів розробників.
3.3. Вплив резонансної частоти на ефективність перетворення механічної енергії в електричний сигнал і  її регулювання
Потрібно відзначити, що однією із основних характеристик альтернативних мікроджерел електрики, які побудовані на основі перетворення механічних коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал за допомогою мікро- і наноперетворювачів, є ефективність їх роботи – претворення механічної енергії в електричний сигнал.
Вважається [48], що для оцінки ефективності перетворення механічної енергії в електричний сигнал необхідно використовувати декілька методів: за коефіцієнтом електромеханічного зв’язку; за значенням повної провідності; за співвідношенням активної та реактивної компонент повної провідності; за коефіцієнтом передачі п’єзотрансформаторного перетворювача. Серед перерахованих критеріїв, як вважається, квадрат коефіцієнта електромеханічного зв’язку найповніше характеризує ефективність перетворення механічної енергії в електричний сигнал і відображає відношення накопиченої механічної енергії до всієї підведеної до п’єзоперетворювача енергії:
Кд2 = (fa2 – fr2)/ fa2,
де fa2  – антирезонансна частота, за якої провідність резонатора прямує до нуля, fr2  – резонансна частота, за якої провідність резонатора прямує до нескінченності.
Ефективність роботи таких мікроперетворювачів залежить від зміни резонансної частоти, а саме: її збільшення веде до підвищення ефективності перетворення механічних коливань в електричний сигнал. Особливо яскраво цей процесс спостерігається в п’єзоперетворювачах. Принцип впливу резонансної частоти мікроперетворювачів зовнішніх коливань середовища в електричний сигнал є складним. Це пов’язано з тим, що необхідно змінювати власну частоту механічного перетворювача в процесі його роботи, тому що на неї також впливають  коливання зовнішнього середовища. Цей процес ускладнюється його нелінійністю. На резонансну частоту впливають також структура мікроперетворювача і зміна температури його довкілля.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
Якщо розглядати мікроперетворювач з чутливим елементом у вигляді балки з активною масою m (розглядаємо сумарну масу, яка коливається і для якої В – це стала депфування, а k – коефіцієнт пружності чутливого елемента), тоді математичну модель мікроперетворювача можна подати як диференційне рівняння другого порядку:
mdx2/dt2  + B dx/dt + k x  = F.
Вводячи значення власної частоти ωn =√k/m  і вираз для коефіцієнта демпфування ξ = , отримуємо
(1/ ωn2) dx2/dt2 + 2 (ξ/ ωn) dx/dt + x = у(t).
Для визначення частоти коливань потрібно знайти розв’язок  цього рівняння для конкретної реальної системи.
Добротність системи визначається виразом
Q  ~ 1/2 ξ.
Залежність генерованої  мікрогенератором корисної  потужності  від його параметрів визначається формулою [49]
P=[m ξTY2 (щ/щr ) 3щ3 ]/[1−(щ/щr2) ] 2 +[2жT   щ/щr ] 2  ,            
де m – маса чутливого елемента; жT – коефіцієнт демпфування системи; Y – максимальна амплітуда вібрацій; щ – частота вібрацій; щr – резонансна частота мікрогенератора.
Потрібно відзначити, що використання і перетворення механічної енергії зовнішнього середовища в електричний сигнал за допомогою мікрогенераторів на низьких частотах є важливим і одним із основних можливих засобів. Тільки мікроперетворювачі спроможні перетворити коливання з амплітудою в декількох мікрон в електрику при їх роботі на резонансній частоті. Ефективність мікрогенераторів з єдиною фіксованою резонансною частотою значно зменшується, оскільки генератор не завжди буде працювати в резонансі. При розробці мікрогенераторів слід враховувати, що їх резонансна частота повинна відповідати зовнішній частоті коливань об’єкта. Ефективність роботи п’єзогенераторів сильно залежить від збіжності власної частоти чутливого елемента п’єзогенератора з частотою зовнішніх перетворюваних коливань довкілля, об’єкта тощо. Однак частота зовнішніх механічних коливань не є постійною. Тому складно виготовити перетворювач із власною частотою, яка б відповідала частоті зовнішніх механічних коливань. Зміна  частоти перетворюваних зовнішніх механічних коливань від 2 до 3 Гц відносно власної частоти коливань п’єзогенератора призводить до різкого зменшення генерованої вихідної потужності [50].  	Незбіжність частот може викликатися як зміною зовнішньої частоти коливань об’єкта, так і зміною структури самого чутливого елемента (зміною параметрів через старіння, деформації та інші причини). Тому при проектуванні мікрогенераторів (перетворювачів механічних коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал) важливим є розширення робочого частотного діапазону мікрогенератора, в якому резонансна частота мікрогенератора збігається з частотою робочого діапазону зовнішніх коливань. Незбіжність цих частот призводить до зменшення генерованої мікрогенератором потужності. На практиці, коли відомий частотний діапазон зовнішніх коливань, і він є сталим, можна використовувати також метод періодичного налагодження резонансної частоти мікрогенератора за допомогою передбачених, попередньо введених у конструкцію механічних чи додаткових електричних систем керування резонансною частотою. З цією метою можуть використовуватися різні методи регулювання власної частоти п’єзоелемента. Наприклад, для чутливих елементів у виді балки додають зовнішній пристрій, який змінює структуру або жорсткість балки чутливого елемента. Однак такий метод пов'язаний з певними недоліками: збільшенням габаритних розмірів чутливого елемента, собівартості, а також із можливими промисловими труднощами при їх виготовленні. Використовують також напівактивний перемикач регулювання власної частоти і метод виготовлення багаточастотного п’єзогенератора, який є сталим у виготовленні. Практично методи підвищення ефективності перетворення зовнішніх коливань довкілля в електричний сигнал поділяються на активні та пасивні методи регулювння резонансної частоти чутливого елемента мікроперетворювача. Потрібно відзначити, що у більшості випадків використовують пасивний метод регулювання резонансної частоти зміною окремих конструктивних параметрів чутливого елемента, наприклад, демпфування або маси. Активний метод базується на використанні електричної системи регулювання, що ускладнює структуру мікроперетворювачів і потребує додаткового незалежного живлення, що частково впливає на ефективність генерованого вихідного електричного сигналу. Активним є метод безперервного відлагодження резонансної частоти мікрогенератора протягом його роботи (наприклад, зміни ємності чутливого шару перетворювача).
Контрольні запитання
1.	Яке значення мають математичні моделі альтернативних джерел  перетворення зовнішніх коливань в електричний сигнал при проектуванні мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал?
2.	Які методи використовуються для розробки математичних моделей альтернативних джерел перетворення зовнішніх коливань в електричний сигнал? 
3.	У чому суть використання теорії чотириполюсників при розробці математичних моделей?
4.	У чому суть блочного і фізичного методів моделювання альтернативних джерел перетвороення  коливань зовнішнього середовища в електричний сигнал?
5.	Які програмні продукти використовують при блочному і фізичному моделюванні?
6.	Як впливає резонансна частота на ефективність перетворення механічної енергії в електричний сигнал?
7.	Які методи регулювання резонансної частоти використовуються?
Розділ 4. Приклади технології виготовлення окремих мікроперетворювачів 
Технології виготовлення мікроперетворювачів охоплюють мікроелектронні напівпровідникові технології та технології мікрообробки, які дають можливість реалізовувати різні види мікросистем. До них відносять мікрообробку поверхні, структури, мікрообробку методом електроерозії, а також технології типу LIGA та інші спеціальні технології, серед яких: ультрафіолетова, рентгенівська, електронна та іонна фотолітографія; хімічне, плазмове, плазмохімічне, електрохімічне, іонне, анізотропне травлення, а також комбіноване травлення із зупинкою чи уповільненням на спеціально сформованих шарах поверхні, різні види вибіркового (селективного) травлення; вакуумно-термічне напилення; гальванічне нанесення матеріалу; окиснення; дифузія; іонна імплантація; пульверизація; наплавлення; епітаксія тощо.
Аналіз показує, що для виготовлення мікроперетворювачів структур різного виду, перетворювачів фізичних і теплових параметрів використовують як процеси напівпровідникових технологій (які належать переважно до планарних технологій), так і методи формування об’ємної структури елементів. При використанні методів поверхневого оброблення на основу при виготовленні, наприклад, мікроперетворювачів вібрацій спочатку осаджується тонка п’єзорезистивна плівка, на якій методом травлення формується заданий малюнок рухомої діафрагми, а також проміжок між діафрагмою і поверхнею пластини. Такі технології належать до інтегрованих MEMS- чи iMEMS- технологій. Розвиток планарних (пошарових) технологій сприяв розвитку мікротехнологій [51], при якому послідовно виготовляли шари з різних матеріалів із заданим зображенням, які послідовно розміщувалися один над одним. Формування зображення на поверхні матеріалу виконується за допомогою літографічних методів, після чого починається витравлювання. Для отримання високоанізотропних тривимірних структур використовують нові плазмові мікротехнології на базі індуктивно зв’язаного розряду в умовах електронно-циклотронного резонансу, а також  технологію LIGA [52].
Технологія поверхневої обробки (планарна) має істотні переваги над об’ємною, оскільки є більш еластичною і дає можливість одночасного інтегрування на одному кристалі інших систем. Ця технологія має переваги над технологією об’ємної обробки, при якій рухома діафрагма чи чутливий елемент формується за допомогою травлення товстої пластини.
На рис. 10 подано приклад типового процесу поверхневої мікрообробки [53]. Така технологія дає змогу інтегрувати багатошарову структуру. Вона використовується для виготовлення мікроперетворювача з використанням одного структурного шару полікремнію. Максимальна товщина шару плівки не превишує 10 мкм, що пов’язано із залишковими мікронапруженнями в плівці.
Однак для складних профільних елементів мікросистем і структур використання планарних технологій є недостатнім. Для більшості мікроелектромеханічних систем необхідно формувати об’ємні структури. З цією метою використовують анізотропне і вибіркове травлення або методи плазмового травлення – реактивно–іонне; в індуктивно зв’язаній плазмі; з чергуванням процесів травлення і пасивації; технології BOCH. Для виготовлення в структурі елементів типу конденсаторів та інших електронних елементів використовуються стандартні технології виготовлення інтегральних мікросхем.
                          
Рис.10. Схема поверхневої мікрообробки:  (а) – осадження жертовного    шару;  (б) – підготовка місця кріплення і обмеження переміщення елемента; (с) –  нанесення наступного шару структурного елемента; (d) – витравлювання жертовного шару
Зрощування елементів мікросистем чи їх фрагментів можливе методами термоадгдезії, термоелектростимуляційного зрощування за допомогою багатокомпонентних склоподібних діелектричних матеріалів, використанням силіцидів, розплавів металів тощо.
Нині для виготовлення мікромеханічних систем та їхніх елементів використовують декілька базових технологій, серед яких найбільш поширеними є об’ємне і поверхневе мікрооброблення, а також LIGA-, SIGA- і MUMPs -технології [53, 54].	
	Технологія об’ємного мікрооброблення. Ця технологія належить до кремнієвих технологій глибинного об’ємного хімічного, анізотропного чи плазмового травлення. Використовують як сухе, так і рідинне травлення. Наприклад [55], структура мікроперетворювача може виготовлятися за допомогою об’ємної мікротехнології (рис. 11).

Рис. 11. Структура мікроперетворювача, реалізована за допомогою об’ємної мікротехнології
Метод сухого травлення полягає у вибірковому (селективному) видаленні немаскованих ділянок поверхні. Такий процес можна комбінувати з технологією КМОП і тонких плівок. Така технологія об’ємного мікрооброблення має певні недоліки і переваги (табл. 8).
При рідинному хімічному анізотропному травленні кристал у різних кристалографічних напрямках травиться з різною швидкістю (залишається поверхня з орієнтацією ‹111›). Основні недоліки і переваги рідинного травлення наведено в табл. 9, а на рис. 12 показано основні етапи технології рідинного травлення.
Поверхневе мікрооброблення. Ця технологія належить до планарних – поверхневого мікрооброблення кремнію і сумісна з напівпровідниковими технологіями. Основні недоліки та переваги поверхневого мікрооброблення наведено в табл. 10. Етапи кремнієвого поверхневого мікрооброблення показано на рис. 13.
LIGA-технологія. LIGA-технологія базується на використанні рентгенівського випромінення синхротрона з надмалим кутом розходження стіжка (пучка) променя, літографії та гальванопластики. Використання  синхротронного випромінення дає можливість підняти на якісно новий рівень субмікронну мікротехнологію і аналітичні методи діагностики субмікронних функціональних структур. 
Таблиця 8.
Основні переваги і недоліки технології об’ємного мікрооброблення
Параметри технологічного процесу	Переваги 	Недоліки  	
 Параметри плазми:
- склад газу;
- напруга зміщення;                             - температура основи;
- густина плазми;
- тиск процесу	 Можливість отримання оптимального горизонтального зображення	 Оброблення кожної пластини окремо	
  Маскування полімерами і тонкими плівками: 
- термічно SiO;
- хімічним осадженням із парової фази за низьких тисків SiO2 чи Si3N4;                  - нанесенням фоторезистора; 
- металізацією (Cr, Al) 	 Змінний профіль	 Збільшена тривалість травлення	
Хімічна дія: 
- з протилежного боку (мембрани, отвори) геометрична форма визначається шаблоном маски; 
- з переднього боку (консолі, канали, затвори) геометрична форма визначається підтравлюванням 	  Можливість отримання рельєфних зображень	 Не існує власного обмежувача травлення і визначення якості зображення	
 Гази і  травильні речовини:
SF6-CBrF3 при t < 270 K; 
SF6-O2 при t < 100 K; 
CHF3-O2 при t < 100 K ;
CHCl3 при t < 270 K	                    –	                –	
Таблиця 9. 
Основні переваги і недоліки технології рідинного травлення
Параметри технологічного процесу	Переваги  	Недоліки  	
Орієнтація основи (підкладки):
‹111› (канавка V-подібного перерізу);
‹110› (канавка U-подібного перерізу, нестандартизована)	  Простий процес групового виготовлення	  Маскування для поглибленого травлення	
Маскування тонкими плівками: 
- термічно SiO2;
- хімічним осадженням із парової фази за низького тиску SiO2 чи Si3N4;
- металізація (Cr) для термомеханічного оброблення 	                –	  Обмежений набір отриманих зображень	
Хімічна дія: 
- з протилежного  боку (мембрани, канали) геометрична форма визначається кристалографічними площинами; 
- з переднього  боку (консолі, канали) геометрична форма визначається підтравлюванням 	                –	  Проблеми із зовнішніми кутами	
Процес групового 
виготовлення обмежений поверхневою реакцією	                –	                 –	

	1. (‹100› − основа) 

2. p + легування для отримання шару зупинки травлення 

3. Осадження епітаксіального шару

4. Окиснення 

5. Літографія і травлення SiO2 

6. Анізотропне травлення 	
Рис. 12. Основні етапи технології рідинного травлення
Використовуючи LIGA-технології, за допомогою синхротронного випромінювання в товстому фоторезисторі формують порожнини, на сторонах яких електрохімічним методом наносять метал і таким чином виготовляють вироби чи прес-форми для їх тиражування.  Рентгенолітографія з використанням синхротронного випромінювання з надмалим кутом розходження променя (пучка) дає змогу розширити потенційні можливості літографічного методу в мікротехнологіях надвеликих інтегральних схем. Глибина проникнення випромінення досягає одиниць міліметра, що забезпечує високу ефективність експонування за малих витрат часу. Роздільна здатність дає можливість надійно відтворювати мінімальні розміри елементів рентгеношаблона.

Таблиця 10. 
Основні переваги та недоліки поверхневого мікрооброблення
Параметри технологічного процесу	Переваги 	Недоліки 	
 Плазмохімічне осадження з парової фази чи хімічне осадження з парової фази за низького тиску полікристалічного кремнію, фосфорокварцового скла	 Отримання оптимальної горизонтальної геометричної форми
	 
Зменшене відношення ширини каналу до його довжини 

  Маскування полімерами і тонкими плівками: 
- нанесенням фоторезистора;
- термічно SiO2 ;    
- хімічним осадженням із парової фази за низьких тисків SiO2 чи Si3N4 фосфорокварцового скла 	 Змінний профіль	Зменшення кількості матеріалів	
  Сухе і рідинне термічне окиснення	Можливість отримання вільних структур	 	
  Геометрична форма визначається маскуванням і травленням	Сумісність із КМОП	  	
  Травлення (сухе і рідинне)	 	  	
		1. Осадження ізолювального шару й основи з полікристалічного кремнію

2. Осадження першого жертовного шару і формування початкового рисунка

3. Осадження полікристалічного кремнію і формування зображення статора і ротора

4. Нанесення зображення на перший і другий жертовні шари

5. Травлення жертовних шарів і звільнення ротора 	
Рис. 13. Основні етапи кремнієвого поверхневого мікрооброблення
Однак, незважаючи на часте використання цієї технології, вона має два основних недоліки:
- технологія вимагає застосування синхротронного випромінювання;
- вона може використовуватися тільки для виготовлення виробів прямолінійної форми (циліндрів, прямих паралелепіпедів тощо). Для отримання об’ємних елементів складнішої форми (наприклад, закручених поверхонь, пружин тощо) використовують методи програмного осадження (видалення) шарів, тобто, методи стереолітографії, стереовидалення тощо [56]. Загальні переваги і недоліки LIGA-технології наведено в табл. 11.

Таблиця 11. 
Основні переваги і недоліки LIGA-технології
Параметри технологічного процесу	Переваги  	Недоліки  	
 Рентгенолітографія (синхротрон) у полі метилметакрилату
0 < d < 2 мм 	  Має найкраще відношення ширини каналу до його довжини за мінімальних розмірів	  Обмежена можливість комбінування з напівпровідниковою технологією (КМОП)  	
 Гальваніка 	  Структури з високим розділенням топографічного зображення 	  Має обмеження на форму рельєфу і на отримання рухомих структур 	
 Дочірня і велика дочірня копії з полімерів чи металу 	  Малі допуски, можливості отримання рухомих структур, велика розмаїтість матеріалів	  Обмежена точність за висотою, підвищена складність виготовлення, висока ціна маски та експонування	

Рис. 14. Схема процесу мікрообробки з використанням LIGA- технології: (а) нанесення фоторезистора; (б) гальванічне осадження шару металу; (с) процес травлення; (d) формування пластмасових елементів
Схему процесу виготовлення структури перетворювача з використанням технології мікрообробки LIGA подано на рис. 14 [57].
SIGA-технологія. Ця технологія адаптована до виготовлення мікро-механічних елементів і систем. У ній передбачено керування шириною профілю і використання ультрафіолетової літографії, гальваніки і формування. Основні переваги та недоліки цієї технології наведено в табл. 12.
SIGA-технології характеризуються високою ціною. З цього погляду цікаве використання для виготовлення об’ємних структур скловолоконних технологій [58]. В основі таких технологій лежить використання властивості збереження скловолоконними структурами сталості співвідношення геометричних розмірів сформованої структури  при зменшенні поперечних лінійних розмірів. У цій технології можливе формування різних потрібних геометричних порожнин, отворів на рівні 0,5 мкм.
Відома також [59] і технологія MUMPs  (Multi-User MEMS Processes Service). Вона використовується для тиражування, виготовлення різних мікроперетворювачів і для оптимізації процесів оброблення поверхні при виготовленні мікросистем, а також оперує MEMSCAP. Ця мікротехнологія використовує тришарове полікристалічне оброблення поверхні. Процес виготовлення мікроперетворювачів згідно з цією технологією базується на застосуванні стандартних технологій, які відповідають сучасним вимогам як дослідників, так і виробництва, а також на виготовленні багатошарових масок, нанесенні металевих плівок, мікрообробці поверхні тощо. MUMPs дає можливість рентабельно використовувати переваги різних технологічних процесів.
Для інтеграції електронних компонентів і мікроперетворювачів використовується технологія Above-IC MEMSCAP [59, 60]. З її допомогою можна безпосередньо інтегрувати елементи ємності, індуктивності та опору, що збільшує якість опрацювання сигналу і зменшує розміри інтегральної платформи. Ця технологія дає також змогу інтегрувати компоненти мікроперетворювачів поверх напівпровідникових шарів.
Таблиця 12. 
Основні переваги і недоліки SIGA-технології
Параметри технологічного процесу	Переваги 	Недоліки 	
 Ультрафіолетова літографія фоторезистора	 Достатньо велика роздільна здатність представлення топографічного зображення 	 Обмежена точність за висотою (КМОП)  	
  Осадження шарів і плазмове травлення 	 Низький допуск 	  Наявність обмежень для складних структур	
  Гальваніка 	  Велике відношення  ширини каналу до його довжини 	  Обмежена швидкість травлення 	
  Дочірня і велика дочірня копії з полімерів чи металу	  Можливість отримання рухомих структур  	  Окреме оброблення підкладок	
 Для усіх технологій

  	  Різноманітність матеріалів 
  Зменшена кількість робіт з виготовлення
  Можливість отримання рельєфних зображень 
  Сумісна з кремнієвою технологією 	  
_

Синергетичне об’єднання різних технологій, наприклад, DEM-технологія, яка поєднує методи об’ємного травлення кремнію з процесами гальванічного осадження, дає можливість у волоконній галузі отримати трубчасті деталі складної форми [61]. Ця технологія базується на кремнієвій технології, що розглядається як базова і не потребує використання синхротронного випромінювання.
Таким чином, використання мікро- і наноелектронних технологій дає можливість розробляти інтегровані мікроперетворювачі та інтегральні платформи з малими розмірами, а також з низькою собівартістю.

Контрольні запитання

1. У чому суть багатошарової структури мікроперетворювача?
2. Чим обмежується максимальна товщина шару плівки мікроперетворювача 10 мкм? 
3. Як впливають мікро- і нанотехнології на собівартість виготовлюваних мікроперетворювачів?
4. Які основні переваги і недоліки LIGA-технології?
5. Які основні етапи кремнієвого поверхневого мікрооброблення?

Розділ 5. Загальна методологія, етапи і засоби проектування мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал 
Проектування мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал є складним процесом і вимагає зусиль не тільки спеціалістів у галузях механіки й електроніки, але й фізиків, хіміків й ін. Нижче коротко розглянемо методологію, етапи та засоби розроблення таких мікроперетворювачів. 
5.1. Загальна методологія проектування  систем на кристалі 
Методологія проектування мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал на кристалі є складовою частиною методології проектування інтегрованих на кристалі вимірювальних перетворювачів різних фізичних величин, тому розглянемо її особливості в контексті проектування засобів фізичних величин, а саме: системний рівень проектування - призначення, завдання, маршрут, програмні засоби.	Прискорений розвиток мікроелектроніки, здобутки в технологіях виробництва інтегральних схем і нанотехнологій за останні роки дали можливість досягти вражаючих успіхів у виробництві супервеликих інтегральних схем (у сфері технологій 0,18 мкм і менше). Уже сьогодні розробляються чіпи зі ступенем інтеграції понад 10 млн елементів на кристалі. Однак сучасна апаратура виробляється переважно з використанням інтегральних мікросхем середнього та великого ступеня інтеграції. Вузли цих систем виконуються у вигляді друкованих плат, на яких розміщуються мікросхеми й інші компоненти. Одним із недоліків такої технології є те, що виробники окремих компонент самостійно призупиняють їх виробництво, не погоджуючи свої дії з розробниками систем. Тому багато виробників апаратури потрапляли в ситуацію, коли на момент випробувань і завершення виробу десятки та сотні компонент знімалися з виробництва [62]. Перепроектування знятих із виробництва компонент вимагало додаткових робіт і випробувань, тобто нових фінансових витрат і часу. Така ситуація сприяла появі нового напряму та класу високоінтегрованих інтегральних схем − СВІС (супервеликих інтегральних схем) − систем на кристалі [63]. Використання систем на кристалі є якісно новою технологією, згідно з якою практично всі компоненти та блоки, які розміщуються на платі, реалізуються на кристалі зі збереженням усіх існуючих зв’язків між ними. Тобто, забезпечується інтегрування мікросхем і дискретних елементів у мікросхему, яка розміщується на кристалі зі збереженням принципів побудови, алгоритмів функціонування, часових діаграм роботи й інтерфейсів.
Для проектування, тестування і виробництва інтегральних схем застосовуються нові методи та засоби. В основі технологій лежить використання структурних елементів ІР-блоків (Intellectual Property) і вбудованих програмованих процесорних ядер. Проектування систем на кристалі об’єднує в собі методи проектування завершених апаратно-програмних комплексів, вбудованих систем на основі стандартних процесорів і передпроцесорних ядер, розроблення вбудованого програмного забезпечення, програмованих (ПЛІС) напівзамовних і замовних інтегральних схем.
Методологія проектування інтегральних схем типу системи на кристалі, або System-on-Chip (SoC), вважається новим напрямом розвитку мікро- і наносистем. До переваг цієї технології належать:
- висока продуктивність; 
- висока надійність, яка досягається зменшенням кількості мікросхем і з’єднань між ними;
- мінімальні розміри кристала і маси системи;
- мінімальна споживана потужність.
Технологія SoC теж базується на використанні розроблених складних блоків, які застосовуватимуться в майбутніх проектах. Система на кристалі обов’язково комплектується  програмованим блоком процесорів. До її складу входить апаратна частина та програмне забезпечення. Так звані IP-блоки, за аналогією з системною платою, при розробленні якої використовують готові мікросхеми, застосовуються повторно. Вони призначені для розв’язання загальних логічно- формалізованих задач: блок USB, PCI тощо. Ці блоки описуються на RTL-рівні (soft) або на топологічному.
Проектування систем на кристалі є універсальним та багатоплановим процесом, який має такі принципові особливості [64]:
- на одній мікросхемі технологічної платформи (СВІС чи ПЛІС – програмовані логічні інтегральні схеми) інтегрується функціонально завершений набір модулів керування і опрацювання даних, а також інші різні типи блоків: програмовані процесорні ядра, блоки ASIC (від англ. Application-specific integrated circuit, тобто «інтегральна схема для специфічного застосування», спеціалізована для вирішення конкретного завдання), блоки програмованої логіки, пам’яті, периферійні пристрої, аналогові компоненти та різні інтерфейсні схеми (процесори, блоки пам’яті, ПЛІС чи ASIC можуть використовуватися як окремі компоненти), а також чутливі елементи перетворювачів механічних величин;
- вбудований мікропроцесор орієнтується в основному на задачі керування порівняно з опрацюванням даних;
- потоки даних усередині системи організовуються між контролерами, а не через мікропроцесорну шину.
Універсальні мікропроцесорні системи на кристалі (системи SoC) містять такі три головних блоки: процесор, пам’ять і логіку. Такий набір блоків пояснюється тим, що наявність процесорного ядра дає змогу реалізувати різні алгоритми керування всією системою, при якій для кожної керуючої програми однозначно встановлюється послідовність виконання операцій опрацювання даних. Блок пам’яті використовується для збереження коду програм процесорного ядра і даних. Блок логіки – для реалізації спеціалізованих апаратних пристроїв опрацювання і проходження даних, склад і призначення яких визначаються галуззю використання системи. Застосування такої універсальної мікропроцесорної системи має значні переваги, оскільки воно не передбачає використання окремих ІС і реалізацію інтерфейсів між ними, а також дає можливість отримати однокристальні конфігуровані чи програмовані рішення. Тобто, вона допускає оперативну зміну своєї внутрішньої апаратної структури та завершального застосування як на етапі виробництва, так і в умовах використання системи. Такі системи належать до групи виробів системного рівня інтеграції Configurable System on a Chip (CsoC), System on Programmable Chip (SoPC), Programmable System on a Chip (PSoC) чи просто SoC, що визначається конкретним виробником [65].
Конфігуровані процесори та системи на кристалі дають користувачу необхідні можливості з оптимізації структури і збільшення продуктивності конкретного вирішення без додаткових фінансових затрат. Проектне вирішення (система), яке реалізоване на універсальній мікропроцесорній платформі з конфігурованим процесором, дає користувачу можливість налаштовувати систему для конкретного використання. Можна змінити набір інструкцій процесорного ядра, додати чи зменшити кількість  апаратних операцій, змінити програмовану кількість станів внутрішнього конвеєра тощо. Зазвичай системи з конфігурованим процесором реалізуються як системи ASIC з великими обсягами виробництва. Більшість вироблених мікропроцесорів і мікроконтролерів можна віднести до групи систем із конфігурованою периферією. Вони вимагають розроблення спеціалізованого набору засобів підтримки програмного коду в залежності від особливостей призначення системи.
Конфігуровані системи на кристалі, як уже зазначалося, реалізуються в об’ємі (на площі) одного кремнієвого кристала й об’єднують швидкісне мікропроцесорне ядро з типовими периферійними вузлами, матрицю конфігурованої логіки FPGA (Програмована користувачем вентильна матриця, від англ. Field-Programmable Gate Array, один з архітектурних різновидів програмованих логічних інтегральних схем ПЛІС) з різними обсягами еквівалентних логічних вентилів, швидкісну шину і масив статичної пам’яті. Вони охоплюють інтегральні пристрої, що об’єднують вбудований процесор, програмовану логіку, пам’ять та інші додаткові ресурси і блоки в одному кристалі, з’єднані за допомогою інтерфейсу. Процесор виконується у вигляді окремого апаратного блока. Таке виконання системи збільшує її продуктивність і ефективність.
Інтеграція програмованої логіки і виробів ASIC дає змогу отримати найвищий ступінь системного використання кристала, і такі мікросхеми допускають зміни в структурі мікросхеми на етапах проектування і експлуатації. Факторами інтеграції елементів і блоків на кристалі є зменшення їх топологічних розмірів, високий рівень напівпровідникового виробництва й удосконалення схемотехніки та архітектури. При використанні ПЛІС досягається висока функціональність, яка включає процесори, пам’ять, блоки цифрового опрацювання сигналу, швидкісні входи і виходи та низку інших ІР-блоків. Можлива інтеграція блоків програмованої логіки ASIC. Спостерігається тенденція до зближення архітектури ПЛІС, ASIC і систем з використанням стандартних компонент у швидкозмінних умовах технологічних і економічних можливостей, вимог до уніфікації маршрутів проектування. Маршрут проектування має забезпечувати простий перехід від ПЛІС до ASIC із побудовою прототипів ASIC на основі ПЛІС і, навпаки, з перенесенням робіт на системний рівень, без прив’язки до конкретної реалізації. Відомо, що одночасно з процесом інтеграції елементів на кристалі виникає проблема енергоспоживання систем. Система на кристалі містить велику кількість блоків і комірок, тому при виконанні необхідних функцій споживається значна кількість енергії. Тобто, зі збільшенням ресурсів системи зростає і динамічне енергоспоживання, значна частка якого припадає і на периферійні пристрої, на вихідні ключі. Зменшенню енергоспоживання сприяє скорочення кількості дискретних компонент у розроблюваних системах. Додатково цю проблему можна вирішувати інтегруванням на кристалі підсилювачів потужністю до 10 мВт. Однак 4 мВт - це граничне значення, вище якого окремі каскади підсилювача починають споживати значну статичну потужність в економних режимах роботи, що зменшує термін служби акумулятора [66].
Таким чином, можна зробити висновок, що розглянуті особливості побудови систем на основі концепції «система на кристалі» дають змогу з максимальною ефективністю розв’язувати прикладні задачі побудови мікроперетворювачів механічних величин різного призначення завдяки високій оптимізації внутрішньої структури та відсутності надмірності, характерних для систем, побудованих з універсальних компонент. Вони також сприяють високій економічній ефективності, зумовленій зменшенням кількості компонент і енергоспоживання. 
5.2. Етапи проектування систем на кристалі
Проектування систем на кристалі – це складний процес. Із загальної точки зору, проектування – це процес перетворення (трансформації) виконуваної специфікації системи (проекту) до рівня регістрових передач. Тобто отримання специфікацій мовами Verilog чи VHDL із переходом на вентильний рівень, а також процес верифікації проекту та проектних рішень на відповідність початковим специфікаціям й іншим вимогам процесу проектування та деталізації системи.
При проектуванні використовують «спіральний» маршрут, який містить [67] паралельне розроблення програмного й апаратного забезпечення; верифікацію і синтез окремих модулів і топологічне розміщення елементів на кристалі разом із їх логічним синтезом і повторне використання готових функціональних моделей, RTL і топологічних блоків (IP-блоків). У більшості випадків виконується сумісне розроблення специфікації проекту на верхньому рівні, алгоритмів, тестів для перевірок на системному рівні та часових характеристик блоків. Тобто, етапи програмного й апаратного проектування (функціонального, часового, топологічного і верифікація) виконуються одночасно. Загальний маршрут проектування наведено в табл. 13.
Спрощений процес проектування перетворювачів і мікросистем з інтеграцією системи опрацювання даних у SoC можна розділити на такі етапи.
Етап 1. Проектування блоку чутливих елементів, які сприймають коливання механічних величин і елементів мікросистеми. 
Етап 2. Розроблення загальної архітектури системи на кристалі на системному рівні.
Етап 3. Вибір ІР-блоків із наявної бази даних, а також блоків мікросистеми, яких у ній немає (наприклад, блоку бездротового передавання). 
Етап 4. Інтеграція усіх блоків на кристалі. Верифікація загальної топології і випуск прототипів. 
Етап 5. Випуск робочої конструкторської і технічної документації. 
Етап 6. Проведення досліджень.
На початковому етапі проектування розробляються чітка специфікація на апаратну та програмну частини в залежності від призначення системи, моделі її функціональної поведінки й керування нею, їх уточнення і деталізація.

Таблиця 13
Маршрут проектування систем SoC

Послідовність проектування систем SoC	
Топологічне проектування	=

=

=

=	Часове проектування	=

=

=

=	Розроблення апаратних засобів	

=

=

=	Розроблення програмних засобів	
Топологічна специфікація: площа; споживана потужність; синхронізація		Часова специфікація: часові обмеження по входах і виходах, визначення системних частот		Специфікація: розроблення алгоритмів і визначення архітектури		Специфікація на програмні засоби:
розроблення прототипу 	
Попереднє розміщення		Часова специфікація по блоках		Визначення окремих блоків		Тестування прототипу	
Оновлене розміщення		Синтез блоків		Верифікація блоків		Розроблення програми	
Оновлене розміщення		Синтез блоків		HDL-опис верхнього рівня		Тестування програми	
Попереднє розміщення		Синтез верхнього рівня		Верифікація верхнього рівня		Тестування програми	
Остаточне розміщення і трасування	

Функціональна специфікація пов’язана з інтерфейсом системи (блоку) з позиції зовнішнього користувача. Вона містить інформацію про шини, регістри, контакти і їх використання. Поведінка на системному рівні та взаємодія між частинами кожного блоку розглядається в архітектурній специфікації.
Специфікація для апаратної частини містить: виконувані функції; зовнішній інтерфейс з іншими блоками (контакт з іншими блоками, шини, протоколи обміну); інтерфейс з пристроями обчислення (регістри); швидкодію і часові параметри. Для опису апаратури використовують мови VHDL чи Verilog.
Програмна частина містить виконувані функції, часові параметри, структуру і ядро, а також інтерфейс до апаратної частини. 
При написанні специфікації для уникнення невизначеності використовують мови високого рівня С, С++ чи їх варіації SystemC. 

5.3. Процес проектування SoC на системному рівні
На системному рівні процес проектування складається з таких етапів:
1. Визначення й аналіз головних техніко-експлуатаційних вимог до SoC. На цьому етапі аналізуються швидкодія, споживана потужність, точність тощо, на основі яких розробляється специфікація.
2. Етап концептуального проектування. Цей етап є критичним для оцінювання загальних характеристик системи, дослідження різних варіантів її побудови і вибору оптимальної побудови до реалізації. На цьому етапі розробляється функціональна модель системи, розкриваються алгоритми та функції, які ця система має виконувати, і засоби реалізації. Розробляється вона у вигляді  блок-схеми.
Цей етап включає: 
- розроблення функціональної моделі системи на основі алгоритмів і виконуваних функцій без зв’язку із засобами їх реалізації; 
- моделювання системи в її операційному середовищі з реальними даними і сигналами (аудіо- і відеоінформацією, розміщенням об’єктів тощо);
- визначення архітектури системи та необхідних ресурсів для організації програмно-апаратної реалізації її функціональної моделі.
Основним завданням концептуального проектування системи є дослідження проектованої системи і розроблення специфікацій мовами високого рівня С++/SystemC. При дослідженні системи модельовані функції трансформуються і розподіляються для виконання на різних платформах, архітектурах, які мають різні набори програмованих компонентів: процесори, пам’ять, ASIC, ПЛІС та непрограмовані блоки на кристалі. Мета цих досліджень – знаходження оптимальної архітектури, яка задовольнятиме усі вимоги: роботу в реальному часі, споживану енергію, ціну. Застосовується програмно-апаратне проектування з використанням функціональних моделей конкретних процесорів і шин, моделей блоків, поданих мовами проектування апаратури VHDL, Verilog і системи проектування.
3. Розроблення тестового оточення. Для правильності побудови моделі та її верифікації розробляється тестове оточення системи (Testbench), яке може містити тестові послідовності та блоки відображення інформації, генератори вхідних сигналів тощо. 
4. Верифікація всієї системи на нижніх рівнях проектування і дослідних систем на кінцевому етапі виготовлення. На основі тестового оточення розробляються тестові послідовності для верифікації всієї системи на нижніх рівнях проектування і дослідних систем. Підтверджується відповідність проекту і проектних рішень початковій специфікації та іншим вимогам процесу проектування. Модель може коригуватися, а процес верифікації повторюватися. На цьому рівні широко використовується комп’ютерне моделювання. Аналізується алгоритм роботи системи і визначаються її оптимальні параметри з погляду забезпечення максимальної точності та її спрощення. Верифікація дає змогу визначити якість реалізації системи, а також отримати конкретні докази того, що вимоги до проектованої системи враховано у повному обсязі.
5. Аналіз загальної моделі системи з точки зору її апаратної та програмної реалізації. На цьому рівні приймається рішення, яку частину системи буде реалізовано на апаратному рівні і яку на програмному у вигляді вбудованих ІР програмного забезпечення. Враховується можливість розміщення на кристалі одного або кількох програмованих процесорних ядер. Розробляється загальна архітектура системи: тип процесора, пам’яті та її обсяг, апаратні блоки, тип використовуваної шини, інтерфейс взаємодії апаратної частини з програмною. 
Архітектурне планування кристала є одним із основних етапів у системі проектування. Він важливий для систем на кристалі з невеликою кількістю блоків ІР і для великих ASIC. Маршрут проектування систем на кристалі застосовується при використанні ІР-блоків, або якщо проект при його виконанні розподіляється між кількома групами розробників чи компаній. Проект вважається фізично поділеним, коли блоки залишаються єдиними як фізично, так і логічно. Тобто, типовий проект має ряд блоків верхнього рівня, які фізично виконуються на етапі архітектурного планування кристала, пізніше проект трасується з використанням каналів між блоками. Архітектурне планування маршрутизації використовується для розділення кристала на блоки, які пізніше можуть проектуватися незалежно один від одного, наче вони були окремими кристалами. Тому для кожного такого блоку формулюють граничні вимоги, вимоги до конфігурації, розміщення портів і часові вимоги. Потім здійснюють асемблювання проекту.
6. Розроблення специфікації та апаратної реалізації системи. Основною метою в процесі специфікації проекту є визначення і перелік головних функцій системи та розроблення системної моделі (реалізованої). Ця модель використовується для верифікації коректності роботи системи з функціональної точки зору в операційному середовищі, в якому вона має працювати. Визначається необхідне апаратне забезпечення архітектури та роботи системи. При уточненні специфікації системи детально описують системну архітектуру, яка передається на проектування.
7. Розроблення специфікації та програмної реалізації системи. Мета функціональної специфікації системи – визначити і змоделювати функціонування системи з точки зору використовуваних алгоритмів. Моделюється поведінка всієї системи і її блоків при заданих реальних сигналах і даних. Визначається операційне середовище, в якому має працювати система, основний сценарій її роботи, загальні функціональні характеристики і протоколи. 
8. Програмно-апаратна верифікація системи. На цьому етапі контролюється коректність сумісної  роботи апаратнореалізованих блоків під керуванням вбудованого програмного забезпечення в режимі реального часу. Програмно-апаратна верифікація складної системи може здійснюватися і після виготовлення досліджуваної системи. Програмні функції оцінюються з точки зору розміру коду та тривалості виконання, а апаратні − за кількістю еквівалентних елементів. Тут також можуть моделюватися системи керування, зони покриття, взаємне розташування об’єктів тощо.
9. Виготовлення дослідної системи. Цей етап фізичного проектування починається з вибору технологічного та бібліотечного базису і закінчується отриманням остаточного опису системи (проекту) у форматі GDSII.	Процеси проектування, верифікації і топологічної реалізації системи здійснюються паралельно на основі загальної специфікації, моделі поведінки та загальної архітектури системи. 

5.4. Програмні засоби моделювання і проектування (САПР) інтегрованих на кристалі систем 
Використання сучасних САПР дає можливість істотно спростити процес проектування систем на кристалі. Завдяки сумісному моделюванню блоків, які описуються мовами С, С++, Verilog, VHDL, і використанням мови опису апаратних засобів systemC досягаються однаковий опис усієї системи і верифікація специфікації на неї. Верифікація специфікації відбувається без конкретного зв’язку із сигналами. Подальша деталізація моделей виконується з використанням засобів автоматизованого синтезування. На заключному етапі здійснюється трасування з’єднань, завершальна (фінальна) верифікація кристала і його топологічне планування з розміщенням елементів на ньому. 
5.4.1. Класифікація засобів моделювання і проектування інтегрованих на кристалі систем
Для розроблення, моделювання, синтезу та перевірки працездатності  інтегрованих на кристалі систем, які містять велику кількість складних об’єктів і елементів, у тому процесори, жорстку логіку, пам’ять, схеми контролювання, аналого-цифрові перетворювачі тощо, використовують спеціальне  прикладне програмне забезпечення і системи автоматизованого системного проектування. Завданням цього програмного забезпечення є також оптимізація таких характеристик, як площа, швидкодія, розміри й електричні параметри схем.
Розроблено велику кількість подібних засобів. До цих засобів функціонального проектування і верифікації ставлять такі вимоги:
- можливість аналізування архітектури, виробництва й інших системних параметрів проектованих систем;
- можливість сумісного розроблення і верифікації апаратури та вбудованого програмного забезпечення;
- можливість проектування систем із використанням процесорних блоків, їх моделей при розробленні апаратури та програмного забезпечення;
- наявність єдиного середовища проектування з системного рівня до рівня вентильного і регістрових передач з підтримкою мов C, C++, SystemC рівнів 1.0 і 2.0 і мов опису апаратури Verilog і VHDL;
- наявність бібліотек і високорівневих конструкцій для функціональних блоків та комунікаційних каналів, включно з таблицями з’єднання;
- наявність засобів керування даними і документування проектів. При розробленні САПР ВІС на БМК (Базовий матрічний кристал) потрібно враховувати вимоги до систем, які визначаються специфікою поставленої задачі.
САПР інтегрованих на кристалі систем поділяють на такі групи [63]:	1. Засоби прикладного програмного продукту на основі мови С і її модифікації С++. Вони характеризуються простотою в роботі та використанні, а також низькою ціною. Серед розробників системного рівня найбільш популярними є такі засоби розроблення програмних додатків:
- Microsoft Visual Studio [68]; 
- Inprise Borland C++ Builder [69]; 
- Borland Kylix C++ [70] – в операційній системі Linux чи спеціалізованими, наприклад, Rational Rose і UML [71].
2. Засоби математичного моделювання в середовищі МATLAB/Simulink [72]. Пакет MATLAB/Simulink завдяки своїй простоті використання, низькій ціні і наявності бібліотек моделей набув широкого використання.
3. Засоби моделювання загального призначення, які не прив’язані до конкретного об’єкта проектування, наприклад:
- MLDesigner [73];
- SES/Workbench [74].
4. Засоби моделювання (програмні засоби) вузького кола задач системного рівня від розроблення програмно-апаратної архітектури до інтеграції процесорних ядер і розроблення програмного забезпечення. Використання такого спеціалізованого програмного забезпечення є виправданим із точки зору економії загальних ресурсів. Виробниками цих засобів є різні фірми:
- Co-ware [75];
- Mentor Graphics[76];
- Elanix[77];
- Summit Design [78]  та ін. 
5. Потужні інтегровані програмні пакети. Використовуючи ці пакети, розробник має можливість виконати весь цикл системного і функціонального проектування майже до фізичної реалізації. Основним недоліком таких пакетів є їх висока ціна. Це програмні пакети фірм:
-  Synopsys (www.synopsys.com): CoCentric System Studio, Design Ware, VCS, VCSi, Scirocco, SystemC HDL Co-Sim, CoCentric SystemC Compiler;
- Cadence Design Systems (www.cadence.com): Incisive-SPW, Incisive unified simulator, Incisive-XLD, Incisive-AMS, NC-SystemC, NC-Verilog, NC-VHDL.

5.4.2. Основні програмні засоби розроблення, моделювання і проектування інтегрованих на кристалі систем
Використання цих засобів розроблення, моделювання і проектування забезпечує швидку реалізацію проектів і контроль їх працездатності на всіх етапах виготовлення й упровадження систем.
Система проектування VisualElite компанії SUMMIT DESIGN [79, 80 ]	 	 Ця система надає системним архітекторам і програмістам середовище для специфікації, верифікації й аналізу архітектури та функціонування  системи на всіх рівнях: від системного до рівня регістрових передач. Типова проектована система включає інтерфейс зовнішньої шини, вбудований процесор, пам’ять чи широкополюсний інтерфейс зовнішньої пам’яті, низку функціональних модулів і шину (On-chip Bus, OCB), яка їх з’єднує.	Спершу аналізується архітектура системи та її виробництва. У Virtual-CPU архітектуру системи можна сконфігурувати для будь-якого процесора і шини. Проводиться верифікація взаємодії програмного забезпечення й архітектури. Після цього етапу продовжується паралельне розроблення програмного й апаратного забезпечення. Розробляються апаратно-програмні інтерфейси для керування системними резисторами, які встановлюють апаратно-програмний інтерфейс і логічно поділені між периферійними апаратними пристроями в системі та прикладним програмним забезпеченням.
На вищих рівнях проектування використовується мова C/C++ або SystemC. Для подання коду C/C++ використовують вбудоване ядро моделювання, яке виконує планування і моделювання відповідно до структури та функцій поведінки системи разом із програмними об’єктами, операційними системами. При достатньому деталізуванні можливий також перехід на нижчі рівні абстрагування: подання модуля С в HDL (Verilog і VHDL) чи синтезування його, якщо цей блок не представлений моделлю С. Редактор блок-діаграм, який підтримує блоки, написані мовою С/С++, SystemC, й блоки HDL, дає можливість побудови ієрархії та паралельних процесів із врахуванням інших апаратних особливостей RTL, таких як  вузли, компоненти та блоки. Блоки можуть описувати алгоритми на рівні транзакцій, тактову семантику чи іншу поведінку.
У системі подано також набір конструкцій типу оператора чутливості, часових функцій, набору функцій запису-відчитування блокованих чи неблокованих для різних структур даних і протоколів. Потоки даних між блоками контролюються комунікаційними каналами, які реалізують заданий протокол, визначаючи чергу, захищеність, апаратні сигнали. Користувачі можуть додавати додаткові комунікаційні канали, використовуючи спеціальний пакетний механізм, який забезпечують пакети С і С++.
Із переходом на нижчі рівні абстрагування модулі C/C++/SystemC поступово деталізуються, і Visual Elite без додаткового настроювання асоціює комунікаційні канали блока С із сигналом HDL, забезпечуючи таким чином єдине середовище проектування і верифікації від системного рівня до рівня реалізації.

Пакет IC Wizard компанії MONTEREY DESIGN SYSTEMS [81, 82]
Програмний пакет підтримує архітектурне планування усіх видів проектів і на ранніх стадіях проектування дає змогу провести оцінювання таких характеристик, як продуктивність, площа, співвідношення сторін, схеми  живлення, синхронізації  тощо. До завдань архітектурного планування належать поділ системи на блоки та ієрархічна інтеграція системи на основі блоків. Система IC Wizard може використовуватися на всіх стадіях проектування – від планування архітектури кристала до фізичної реалізації системи, а саме:
- для розроблення архітектури кристала на початкових стадіях проектування і оцінювання його характеристик;
- при розділенні системи на блоки з розробленням списків ланок, фізичних і часових обмежень для кожного блоку;
- для модифікації архітектурного плану кристала й уточнення  фізичних і часових вимог до інших блоків;
- при трасуванні усіх з’єднань між блоками, ланки живлення і синхронізації, асемблювання кристала.
Архітектурне планування дає змогу розробникам систем виконати оцінювання використаних  ІР-блоків на різних рівнях процесу проектування і їх впливу на роботу всієї системи, на її вихідні параметри, на ефективність керування взаємодією між усіма блоками, на загальну топологію. 
           Засоби проектування СВІС компанії Celoxica системного рівня (Electronic System Level, ESL) [83]. Необхідність у засобах проектування системного рівня спричинена збільшенням розмірності проектів, тенденцією до розроблення систем на кристалі та на програмованих кристалах. Оскільки характеристики сучасних ПЛІС і структурних АSIC включають вбудовані процесори та блоки пам’яті, то їх використання дає можливість реалізувати значну частину проектів (у тому із розроблення різноманітних перетворювачів у виді систем на кристалі). Це пов’язано з тим, що значну частину робіт з проектування топології вже виконано. Таким чином, процес проектування спрощується. Частка вбудованого програмного забезпечення у загальному обсязі робіт з проектування систем на кристалі й на програмованому кристалі постійно зростає. Тобто, постійно є можливість автоматичного перетворення програмних моделей на апаратну реалізацію. Тому подібні засоби проектування систем на кристалі і на програмованому кристалі розглядаються як програмний комплекс з наявною частиною програмних блоків для апаратної реалізації. Це спрощує процес проектування систем на кристалі та не вимагає від розробників прикладних проектів знання схемотехніки СВІС.
Розроблення спеціалізованих програмних продуктів із готових блоків використовується для обмеженого кола завдань, незважаючи на свою простоту.
Середовище проектування Electronic System Level передовсім розраховане на розробників, детально не знайомих з особливостями проектування СВІС. Програмний комплекс проектування компанії CELOXICA[83] побудований на методології програмно-орієнтованого проектування вбудованих систем і апаратури з використанням мов  C/C++ і SystemC.
Цей програмний комплекс містить:
- систему проектування Agility Compiler на основі мови SystemC, призначену для розроблення моделей, дослідження архітектури й автоматичного синтезування апаратного опису для ПЛІС;
- систему проектування на основі мови Handel-C;
- прикладні бібліотеки та програмні інтерфейси. Бібліотеки містять різні варіанти апаратної реалізації готових прикладних функцій опрацювання відеопотоків і зображень, арифметики з плаваючою точкою тощо;
- засоби макетування, які включають набір стандартних плат із різною периферією і ПЛІС різних виробників для апаратної  реалізації проектованих систем, а також вбудоване програмне забезпечення, драйвери доступу до периферійних пристроїв і приклади проектування.
Початковими компонентами для розроблення системи можуть бути:
 - текстові специфікації;
- програми мовою С/С++;
- системні специфікації мовою SystemC;
- моделі Matlab/Simulink;
- готові програмні й апаратні блоки.
Використовуючи перераховані компоненти, будують загальну модель проектованої системи та здійснюють її верифікацію. Передбачено верифікацію змішаного коду С/С++/Handel-C/SystemC і сумісне моделювання із системою логічного моделювання Active-HDL, ModelSim та системою Matlab/Simulink.
Може також виконуватись дослідження архітектури системи до поділу на апаратну і програмну частини. Програми мовою C/C++, SystemC використовують для організації тестового оточення при роботі з системами логічного моделювання. ESL-засоби компанії Celoxica дають можливість прямого синтезування в елементний базис ПЛІС. Розробник, задаючи тип використовуваного ПЛІС, одразу отримує оцінку результатів апаратної реалізації алгоритму. При використанні готових макетних плат компанії автоматично викликаються програми розміщення і трасування компанії- виробника ПЛІС та видається файл прошивки. Передбачається також генерування RTL-коду у форматах VHDL/Verilog і його оптимізація для більшості використовуваних систем логічного моделювання та синтезування. Програмний комплекс дає можливість вбудовувати ESL-засоби компанії Celoxica в традиційні маршрути проектування СВІС і ПЛІС.
Системи Agility Compiler і DK4 Design Suite дають змогу проводити змішане моделювання, аналізування і налагодження проекту на рівні транзакцій (Transaction Level Model, TLM). Досліджуваний блок можна синтезувати в середовищі проектування та отримати оцінку результату апаратної реалізації на основі одного з використовуваних ПЛІС. Генерація апаратного подання зображується у вигляді списку ланцюгів у форматі EDIF для ПЛІС компаній Altera, Xilinx і Actel. Передбачається також можливість розроблення апаратного прототипу на основі використання RC-серії налагоджувальних плат. Вони включають  ПЛІС кількох виробників  (Xilinx Spartan3L, Xilinx Virtex-II/4, Altera Startix-II, Xilinx Virtex-II/IIPro/4) і мають різні варіанти стандартного апаратного оточення, містять блоки пам’яті (Flash, SRAM, DDR, SDRAM), процесори (ARM9T RISC) і стандартні інтерфейсні блоки (USB2.0, RS232, CAN, PS/2, ADC,VGA, CMOS, Cameralink, DAC, Ethernet, Video I/O, AC97 Audio, SDIO, Bluetooth,TFT / Touchscreen тощо). Плати типу RC10, RC203, RC250, RC340 належать до плат із жорсткою конфігурацією. У модифікованих модульних варіантах RC2000 і RCPartner плат передбачається можливість формування складу налагоджувального модуля залежно від необхідності й розроблюваного проекту. Розробник має можливість розробити на платах RC-серії різні варіанти алгоритмів реалізації розроблюваної системи та проаналізувати їх поведінку в реальному апаратному оточенні, а також провести програмно-апаратну верифікацію.
Програмно-орієнтований підхід до проектування перетворювачів і різних систем на основі описаних мікроелектронних компонент дає можливість підвищити ефективність розроблення сучасних приладів і мікроперетворювачів.
Засоби розроблення електронних схем із ПЛІС фірм Triscend Corp, Atmel, Altera [84]. Ці засоби призначені для прискорення розробок із використанням схем програмованої логіки. Вони містять плати розробника для схем програмованої логіки; прототипні плати для ВІС фірми Altera; спеціальне тестувальне обладнання; програмне та методичне забезпечення. Засоби розраховані на проекти складністю від  10 до 100 тис. вентилів; стандарт інтерфейсних плат – ISA, PCI; PLD-сімейства – MAX7000S, FLEX10K, ACEX.
Набір прототипних плат для ВІС фірми Altera використовується  для відпрацювання проектів на базі ВІС PLD типу FLEX10K чи ВІС  MAX7000S. Вони входять до складу засобів розроблення ПЛІС. Основу плат становлять ВІС PLD FLEX10K (від 10K до 30K вентилів залежно від реалізації). Плати дають змогу налагоджувати різні проекти. Плати з PCI-інтерфейсом додатково включають ІС ОЗУ 128K 32-розрядних слів. Різні модифікації плат відповідають різним логічним і швидкісним комбінаціям можливостей ВІС PLD.
Прототипні плати схем програмованої логіки з інтерфейсом ISA дають можливість налагоджувати проекти, орієнтовані на БІС PLD FLEX10K, а також великі та складні системи. Для завантаження конфігураційних файлів, розроблених за допомогою САПР фірми ALTERA, у системну ВІС призначається інтерфейсна ВІС. Завантаження конфігураційних файлів виконується за допомогою спеціальної простої програми або з використанням розроблених драйверів. Основним завданням інтерфейсної ВІС є організація завантаження конфігураційних файлів, інтерфейсних операцій введення-виведення між системною ВІС і шиною ISA, зміщення адрес регістрів введення-виведення. Для операцій введення-виведення передбачений перехід від асинхронної схеми відносно системних тактів шини ISA до використовуваної для схем програмованої логіки синхронізованої схеми. Базова адреса регістрів може мати різні варіанти залежно від установлення зовнішніх перемичок.
Прототипні плати схем програмованої логіки з інтерфейсом PCI використовуються для налагодження широкого кола систем, орієнтованих на ВІС PLD FEX10K.
До складу плати входять інтерфейсна, системна і керуюча ВІС. Як інтерфейсна ВІС використовується ВІС типу 10К30, яка підтримує обмін даними згідно з інтерфейсом PCI 2.1 (32 біт, 33 MГц). ВІС типу 10К30, крім виконання режимів target і master, реалізує окремі системні функції.
Системна ВІС використовується для розміщення проекту користувача. Завантаження конфігурації схеми може виконуватися як способами, дозволеними для інтерфейсної схеми, так і додатково через інтерфейсну ВІС із пам’яті комп’ютера. Керуюча ВІС використовується для керування роботою блока ОЗП.
Усі схеми програмованої логіки плати об’єднані в єдину JTAG -ланку зі стандартним з’єднанням PLS-7 і тактуються  осцилятором. Інтерфейсна ВІС додатково тактується шинним сигналом. Для контролю процедури завантаження і наявності живлення використовуються світлодіодні індикатори.
До складу засобів розроблення схем із ПЛІС входить також комплекс засобів тестування методом граничного сканування, призначений для пошуку похибок у з’єднаннях ІС і з’єднаннях ІС з комп’ютером, а також для імітації необхідних сигналів інтерфейсної шини. Функціональні можливості комплексу визначаються інтерфейсом JTAG і технологією граничного сканування (Boundary Scan Testing), яка застосовується виробниками ВІС (Intel, Motorola, Altera, Xilinx, Atmel, TI тощо) [85, 86].  Комплекс засобів тестування методом граничного сканування включає набір програм, розміщених на тестувальному комп’ютері, з’єднаному з налагоджувальним обладнанням через спеціальний завантажувальний кабель. Він реалізується на основі ПЛІС, що дає можливість імітувати завантажувальні кабелі різних фірм (Altera, Xilinx, Altmel та ін). Працездатність контрольованої ланки, плати чи робочого проекту визначається на основі аналізу  вихідних сигналів. Комплекс дає змогу контролювати сигнали на зовнішніх виводах  налагоджувальної системи і фіксувати стан контактів при заданій комбінації сигналів, автоматично аналізувати реальну схему пристрою. 
Програмний комплекс MAX+PLUS II, розроблення цифрових пристроїв на ПЛІС фірми Altera [87, 88]. Цей програмний комплекс призначений для розроблення і випуску цифрових виробів на ПЛІС фірми Altera. Комплекс забезпечує виконання таких етапів проектування:
- розроблення проекту моделювальної системи;
- синтез структури розроблюваної системи та трасування внутрішніх зв’язків ПЛІС;
- підготовку даних для програмування (конфігурації) ПЛІС;
- функціональне моделювання, часовий аналіз і верифікацію розроблюваного проекту;
- програмування і конфігурацію ПЛІС.
До складу пакета входять: 									- графічний редактор (Graphic Editor)− призначений для введення проекту у вигляді схеми з’єднань символів елементів, які беруться зі стандартних і спеціальних бібліотек пакета;
- редактор часових діаграм (Waveform Editor)− який використовується для забезпечення введення логіки проекту у вигляді епюр і діаграм стану входів та виходів, а також введення тестових діаграм стану моделювальної системи й перелік тестувальних виходів;
- текстовий редактор (Text Editor)− який використовується для розроблення і редагування текстових файлів опису логіки проекту мовами AHDL (Altera Hardware Description Language) чи VHDL, Verilog;
- символьний редактор (Symbol Editor) надає можливість редагувати існуючі символи та  розроблювати нові;
- редактор зв’язків (Floorplan Editor) дає змогу на плані розміщення основних логічних елементів вручну розподілити виводи ПЛІС, закріпити їх за конкретними вхідними та вихідними сигналами і перерозподілити внутрішні ресурси ПЛІС.
Додатки Graphic Editor, Waveform Editor, Text Editor, Floorplan Editor призначені для введення проектів.
Для синтезування структури проектованої системи, трасування зв’язків, виявлення похибок, повірки коректності проекту, формування файлів програмування (конфігурування) ПЛІС використовуються такі програми пакета компілятора MAX+PLUS II Compiler:
- Netlist Extractor – вилучає список з’єднань із початкового файлу подання проекту, виконаного при його введенні; 
- Database Builder – використовується для побудови бази даних проектованої системи;
- Logic Synthesizer – забезпечує верифікацію коректності проекту за формальними правилами і синтезування оптимальної структури проекту; 
- Partitioner – забезпечує поділ проекту на частини, коли ресурсів одного кристала недостатньо для реалізації проекту; 
- Fitter – використовується для трасування внутрішніх зв’язків і забезпечує реалізацію синтезованої структури системи;
- SNF Extractor – забезпечує екстракцію параметрів проекту для функціонального моделювання і аналізування в часі.
При верифікації розроблюваних проектів використовують такі програмні додатки:
- Simulator – використовується разом із редактором часових діаграм для функціонального моделювання з метою з’ясування правильності логіки його функціонування;
- Timing Analyzer – забезпечує розрахунок часових затримок від кожного входу до кожного логічно зв’язаного з ним виходу.
Для програмування і конфігурування ПЛІС використовується MAX+PLUS II Programmer. Програмування і перепрограмування мікросхем із вбудованою системою програмування  (ISP) можуть виконуватися в складі кінцевого виробу.
До складу САПР розроблення цифрових пристроїв у MAX+PLUS II на ПЛІС фірми Altera також входять такі сервісні програми:
- Design Doctor – призначена для верифікації коректності проекту з використанням емпіричних правил; 
- Message Processor – забезпечує опрацювання, відображення і локалізацію повідомлення про похибки, попередження та інформаційні повідомлення;
-   Hierarchy Display – забезпечує огляд ієрархічної структури проекту.
Система проектування MLDesigner компанії MLDesign Technologies дає змогу вирішити такі  завдання проектування:
- на початковому етапі: вибір оптимальних рішень, моделювання операційної системи, визначення статичних і динамічних сценаріїв, моделей каналів тощо;
- на системному рівні: вибір оптимальних рішень, моделювання і аналізування виробництва, цифрового опрацювання сигналу, архітектури DSP, архітектури мережі, протоколів, комп’ютерної архітектури, вбудованих систем;
- на функціональному рівні: вибір оптимальних алгоритмів функціонування, протоколів, програмно-апаратний поділ системи, вибір оптимальної структури реалізації, системи розв’язання конфліктів на шинах, методів  керування пам’яттю;
- на рівні функціональної верифікації: верифікація починається на рівні моделі поведінки системи, на стадії розроблення загальної специфікації системи.
Системи проектування State CAD, ModelSim I LeonardoSpectrum з використанням мови VHDL [89].

5.4.3.  Програмні засоби моделювання і проектування МЕМС та мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал
Розвиток засобів проектування і моделювання дає можливість розробникам якомога повніше використовувати можливості технологій виготовлення МЕМС. Здебільшого засоби САПР застосовуються для  функціонального моделювання електромеханічних процесів МЕМС і мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал, їх аналізування і розроблення твердотільних моделей. При моделюванні мікроперетворювачів використовується пряме числове моделювання на основі структурного та вузлового подання ієрархічної структури МЕМС (мікроелектромеханічних компонент).
Аналіз літературних джерел в області програмних засобів моделювання і проектування МЕМС і мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал показує, що для цього можуть використовуватися наступні програмні системи:SUGAR	 [90, 100], Abaqus [93], МЕМСAD [94],	IntelliCAD [91,95], Solid [96], Ansys [97], Simulink [98, 102], Saber [99], Sugar [100], Nodas [101] та інш. Зазначимо також, що не існує окремого програмного продукту, який можна було би використати для всіх задач проектування, а особливо, мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електрику. Кожен з програмних продуктів використовуються для вирішення окремих задач проектування.
Нижче розглянемо окремі найвідоміші програмні засоби моделювання і проектування мікроперетворювачів, які можуть використовуватися при проектуванні мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний сигнал.
Програмний комплекс SUGAR. Цей програмний комплекс - це набір модулів Matlab, який призначено для моделювання структур мікроперетворювачів [90]. Комплекс SUGAR базується на методі вузлового аналізу. За допомогою цього комплексу моделюють широкий спектр планарних структур мікроперетворювачів. Для роботи з комплексом користувач повинен розробити текстовий файл, який описує геометрію і зв’язки системи (блоків). Описуються тип блоку, список вузлів, геометричних розмірів і параметрів. У пакеті використовуються типові блоки, наприклад, планарних балок, електростатичних проміжків (шпарин), генераторів сили тощо. На основі цих даних, поданих у вигляді спеціальної таблиці з’єднань, для кожного блоку формуються матриці жорсткості [k]s, маси [m]s і погасання [c]s. Наступним етапом є формування в глобальних координатах основної матриці системи та загальної моделі системи, що описує динаміку проектованої системи у вигляді системи диференційних рівнянь, яка використовується для подальшого аналізування та дослідження мікроперетворювачів.
Пакет CoventorWare. Це пакет фірми Coventor, Inc. призначений для виконання повного циклу проектування мікроперетворювачів, пристроїв і систем. Coventor – це один із основних постачальників програмного забезпечення для систем автоматизованого проектування (САПР) оптичних, високочастотних і рідинних мікроперетворювачів, пристроїв і систем. 
АNSYS 8.0. Система ANSYS дає змогу здійснити модальне синтезування (Component Mode Synthesis, CMS) з метою аналізу складних збірок і визначення їх поведінки в залежності від стану їх компонент, розрахувати, дослідити динамічну поведінку, умови сумісності переміщень, рівноваги та інших характеристик. ANSYS використовують також для різних розрахунків в CAE (від англ. Computer Aided Engineering, наприклад, Multiphysics Simulation for MEMS) і моделювання мікроперетворювачів, у тому, з використанням напівпровідникових технологій. В ANSYS Multi-Field TM Solver використовуються пряма і послідовна схеми розв’язків, термомеханічні та теплоелектромеханічні розрахунки, електростатичний аналіз тощо. 
Пакет IntelliSuite 8.2 [91]. Цей пакет, розроблений компанією IntelliSense, містить всі необхідні засоби проектування мікроскопічних пристроїв і обладнання, побудованого з використанням сучасних нанотехнологій. Процес проектування мікроперетворювачів у системі IntelliSuite оптимізується, включаючи процес виготовлення. У пакет включено засоби тривимірного моделювання різних фізичних ефектів і додаткові засоби візуалізації даних, а також розроблення радіочастотних пристроїв (RF-MEMS). Для проектування і моделювання електростатичних та магнітостатичних перетворювачів і пристроїв передбачається Thermo-Electro-Magneto-Mechanical (TEMM) модуль. 
Програма EM3DS (Electromagnetic 3D Solver) електромагнітного моделювання планарних мікроперетворювачів групи MEM Research. Цей програмний продукт EM3DS [92] призначений для проектування і моделювання квазіпланарних об’ємних структур. Складні багатошарові діелектричні підкладки з металевими шарами моделюються без спрощень. Програма EM3DS базується на методі моментів (Method-of-Moment, MoM) і може бути інтегрована в пакет повного проектування МЕМС CoventorWare. Вона може використовуватися для моделювання планарних НВЧ - пристроїв, п’єзоелектричних резонаторів на об’ємних акустичних хвилях. 
Пакет 3D ANISOTROPIC ETCH SIMULATION ON-LINE. Пакет призначений для моделювання 3D (тривимірного) анізотропного травлення кремнію. Його використання дає змогу зменшити тривалість проектування мікроперетворювачів і кількість дослідних зразків.
Бібліотека параметризованих компонентів NODASv 1.4. Бібліотека призначена для використання  параметризованих компонентів у програмах моделювання мікроперетворювачів вузловим методом. До бібліотеки входять програмні компоненти підкладок, фотошаблонів, анкерів, електростатичних гребінкових мікродвигунів тощо, які можуть об’єднуватись у складні структури. Бібліотека NODASv1.4. дає можливість проведення електричного й електромеханічного аналізу МЕМС, розрахунків розміщення елементів і моделювання їх поведінки.
Інструментальний комплекс MEMS XplorerT фірми MEMSCAP.  Цей комплекс призначений для розроблення телекомунікаційних мікроперетворювачів компонентів. Він інтегрується з комплексом розроблення технологічного процесу «система на кристалі» (SOC) Cadence Design Systems, Inc. Фірма MEMSCAP є основним постачальником телекомунікаційних MEMС-компонентів.
Інтегрована структура системи для автоматизованого проектування  мікроелектромеханічних  систем [102], Запропонована система базується на півсистемі моделювання технологічних маршрутів  виготовлення інтегральних схем та МЕМС – «ПроМІС-Т (МЕМС)», а саме: на підсистемах твердотільного (ПроМІП-Тв), функціонального (ПроМІП-Ф) та системного (ПроМІП-С) моделювання. Для моделювання об’єкта проектування і процесу автоматизованого проектування пропонується використовувати також мережі Петрі.
Контрольні запитання
1.	Які технології виготовлення мікроперетворювачів використовуються?										2. Які етапи спрощеного процесу проектування перетворювачів і мікросистем з інтеграцією системи опрацювання даних у SoC можна виділити?
3. У чому суть етапу  проектування блоку чутливих елементів, елементів мікросистеми?										4. Які відомі основні програмні засоби розроблення, моделювання і проектування систем, інтегрованих на кристалі?						5. Які відомі програмні засоби моделювання і проектування МЕМС і мікроперетворювачів механічних коливань і вібрацій в електричний ?
6. З якою метою використовується система ANSYS при проектуванні?
	
 ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1.Гелетуха Г.Г., Желєзна Т.А., Праховнік А.К. Аналіз енергетичних стратегій ЕС та світу і ролі в них відновлювальних джерел енергії. Аналітична записка БАУ №13,01.12.2015 р. WWW/uabio.org;  Стогній Б.С., Кириленко О.И., Денисюк С.П. Інтелектуальні електричні мережі електроенергетичних систем та їхнє технологічне забезпечення// Технічна електродинаміка.− 2010. − № 6. − С. 44−50; Новицька Г. В., Коваленко О. В. Енергозбереження: Реферативний огляд. – К.: УкрІНТЕІ, 2009. – 40 с. 		2. Громов Н.Н. Источники энергии на основе общеизвестных физических эффектов. − Нижний Новгород, 2001. − http://energyforfree.net/download/gromov.pdf  						3. Objectif 30% d'énergies renouvelables d'ici 2030, selon l'Onudi. –http://fr.reuters.com/article/frEuroRpt/idFRLDE75124020110602; 
http://uk.wikipedia.org/wiki
	4. Etat des energie renouvelables en Europe. Edition 2012.12 bilanEurObserv'ER. – http://sites-final.uclouvain.be/term/recherche /YAOUNDE/EREC2002 proceedings full.pdf						5. Ковалко М.П., Денисюк С.П. Енергозбереження – пріоритетний напрямок державної політики України! За  ред. Шидловського А.К.  – К.: УЕЗ, 1998. – 506 с.   											6. Гольцова М. Рынок средств аккумулирования энергии. – 2011. –http//www/electronics.ru/files/article pdf/3/article_3033_28.pdf      			7. Брагинский И.Л., Косцов Э.Г., Соколов А.А. Электростические микрогенераторы энергии с высокой удельной мощностью//Автометрия. – 2010. –Т. 46, № 6. –С. 90–106.  									8. Игнатов А.Н. Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития: Уч.пособие. – М.: Флинта, 2012. – 360 с.   		        				9. http://www.mdpi.com/1424-8220/14/3/4755/htm  				10. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. I.Особенности структуры. Термодинамика. Фазовые равновесия. Кинетические явления // ФММ. – 1999. – Т . 88, № 1. – С. 50–73. 												11. Мулюков Р.Р. Развитие принципов получения и исследования объемных наноструктурных материалов в ИПСМ РАН // Российские нанотехнологии. – 2007. – Т. 2, № 7-8. – С.38–53. 						12. Наноразмерные структуры: классификация и исследование. 	Общие сведения о наноразмерных структурах; 
http://m.portalnano.ru/read/iInfrastructure/progn/nanostr   
          13. HDL-based Mixed Technology Energy Harvester Modelling and Performance Optimisation. – http://users.ecs.soton.ac.uk/lw04r/research.html
14. Гаврилов С.А., Громов Д.Г., Козьмин А.М. и др. Нанохарвестер пьезоэлектрической энергии на основе массива нитевидных нанокристаллов ZnO и плоского медного электрода // Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55, вып. 7. –С.1376–1380. 
15. Наноматериалы и нанотехнологии. – http://www.microsystems.ru/files/publ/601.htm;
Назаренко О.М., Нищенко М.М. Наноструктури та нанотехнології.К.: НАУ,2010, 256 с. www.lib.nau.edu.ua/BooksForNAU/2010/Nazarov.pdf ;
Яблонь Л.С., Бойчук В.М. Фізичні основи нанотехнологій.  Курс лекцій -Івано- Франківск. 2015. -103 с. 194.44.152.155/elib/local/1978.pdf .
16.http://www.proximamobile.fr/article/un-projet-europeen-pour-des-capteurs-connectes-et-autoalimentes.
17. https://people.eecs.berkeley.edu/~tking/theses/meyoum.pdf;
э Казакевич А. Акселерометри Analog Devsces – устройство и применение//Компоненты и технологии. –2007. –№5. – http://www.kit-e.ru/articles/sensor/2007_5_46.php. 								18. Limit Cycle Oscillations of a Nonlinear Piezo-magneto-elastic Structure for Broadband Vibration Energy  Harvesting// Proc. IMAG-XXVIII, Febr. 1–4, 2010, Jacksonville, Florida, USA.  								19. Механические свойства структур с пониженнями размерностями. – http://spark.kpi.ua/ru/node/1017;mems_gl_05.doc.;www.sgu.ru/sites/default/files/textdocsfiles/2014/12/.../mems_gl_05.doc  							20. Казаков В., Климашин В. и др. Многослойные пьезоэлектрические пьезоактюаторы и особенности их применения // Компоненты и технологии. –2007, –№ 6. 											21. Казаков В., Никифоров В.Г.  и др. Актюаторы для оптических затворов и методы измерения их характеристик // Нано и микросистемная техника. –2007. –№ 10.  										22. Малащенко А.Ю. Моделирование динамики мехатронных преобразователей. Молодой ученый. – 2011. –Т1, №8.– С. 73–79. – http://www.moluch.ru/archive/31/3524
23. Sodano H.A., Inman D.J., Park E. A Review of Power Harvesting from Vibration using  Piezoelectric Materials . The Shock and Vibration Digest. – 2004. Vol. 36, no.3, Р.197–205;
http://mesl.ucsd.edu/gupta/SHM/EHW/SVD%202004-power%20harvesting1.pdf 		24.https://www.teachengineering.org/collection/uoh_/activities/uoh_piezo/uoh_piezo_lesson01_activity1_figure1.png],  http://www.intechopen.com/source/html/40613/media/image5_w.jpg  		25. Bouendeu E. Printed Circuit Board – Based Electro-magnetic vsbration Energy Harvesters. Tesis, june 2010.; Mitcheson P.D. et al.  Energy harvesting from human and machine motion for virelesse electronic devices// Proc. IEEE. 2008. – Vol. 96, no 9. – P. 1457–1486. 	
26. Basset P. et al. A batch-fabricated and electrets – free silicon electrostatic vibration energy harvester//J. Micromech. Micro Eng. –2009. –Vol. 9, no.11. – P.115025.12.
27. Roundy S. et al. Energy scavenging  for WSN:With Spetial Focuce on Vibrations// Ins. J.  Distributed Sensor Net-Works. – 2004. – Vol.2, no. 2.
28. Rasmussen K. Analogier mellem Mekaniske, Akustiske og Elektriske Systemer. – 4th ed. –Polyteknisk Forlag, 1973.
29.http://www.intechopen.com/books/small-scale-energy-harvesting/strategies-for-wideband-mechanical-energy-harvester 
30. Bouendeu_Thesis/pdf   
31. Electrostatic Conversion for Vibration Energy Harvesting// S. Boisseau S., Despesse G., Seddik, B.A.  Eds. DOI: 10.5772/51360. 
32.http://www.intechopen.com/books/small-scale-energy-harvesting/electrostatic-conversion-for-vibration-energy-harvesting#F17
33. Basset P. et al. A batch-fabricated and electrets – free silicon electrostatic vibration energy harvester // J. Micromech. Micro Eng. – 2009. –Vol. 9, no.11. – P.115025.12.
34. Драгунов В.П., Галайко Д.Ю., Доржиев В.Ю., Бассэ Ф. Микроэлектромеханический преобразователь на основе дубликатора Беннета с одним переменным конденсатором // Доклады АН ВШ РФ. –2014. – № 2-3.	35. Теслюк В.М. Дослідження і проектування комп’ютерних систем та мереж. –Тернопіль, 2012.
36.http://dspace.tneu.edu.ua/jspui/bitstream/.PDF

37. dspace.tneu.edu.ua
38. http://www.nanometer.ru/2010/09/30/mems_218368.html
39. Ottemann G., Hofmann H.F., Lesieutre G.A. Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using step – down donverter in discontinuous conduction mode// IEEE Trans.Power Electron. –2003. –№ 18.
40. Roundy S., Wright P.,K.Rabaey J.A. Study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes // Computer Communications. 2003, №26.	41. Roundy S., Wright P. K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics // Smart materials and structures. 2004. –№ 15.
42. Влияние масштаба на электрофизические параметри компонентов микроэлектромеханических  систем, Невлюдов И.Ш., В.А. Палагин и др. // Весник НТУ "ХПІ".–2014. – № 67 (1109). –http://www.kpi.kharkov.ua/archive.pdf
43. Королева В.А.,  Болтунов Д.В., Жуков А.А. Оценка храктеристик микроразмерных слоистых исполнительных элементов устройств микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника.–2012. –	№4.	44. Михайлов П.Г., Белоусов Е.Ф. Микроэлектронные датчики: проектирование, изготовление, диагностика: Учеб. пособие. – Пенза: Изд. ПГУ, 2001.
45. Максимов П.В. Создание технологии оценки наличия типовых дефектов в конструкции по результатам тестовых испытаний и пригодности изделий для дальнейшей експлуатации. –vestnik.pstu.ru/_engine/get_file.php?f=707&d=_res/fs/&p. 					46. Дацюк Ю. Скануюча електронна мікроскопія і рентгеноспектральний аналіз.Електронний ресурс / Наукові дослідження-2010. http://www.nanometer.ru/2010/09/30/mems_218368.html;
http://www.lnu.edu.ua/faculty/ geology/phis_geo/Datsyuk.SEM.html
47. Бурганова С.Я., Барбин Е.С.  и др. Электрические схемы емкостных датчиков микромеханического гироскопа. // XIХ Междун. научно-практ. 
конф. «Современные техника и технологии». Секция 2: Приборостроение. –http://kpf.elit.sumdu.edu.ua/uk/obladnannya-laboratoriyi; www.lib.tpu.ru/fulltext/c/2013/C01/V1/066.pdf.
48. Шульга М., Карлаш В. Ефективність електромеханічного перетворення енергії при резонансних коливаннях елементів конструкції із кераміки. Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології. – 2006. – Вип.3. – С. 225–237.
49. Williams C.B., Yates R.B. 1996 Analysis of a micro-electric generator for Microsystems //Sensors Actuators A, 52.1996. – С.8–11.
50. Capacitance-Based Frequency Adjustment of Micro Piezoelectric Vibration Generator/ Xinhua Mao, Qing He, Hong Li, Dongliang Chu. // Sci. World J. – 2004. –Vol. 2014. –Article ID 484381, 8 pages. –http://www.hindawi.com/journals/tswj/2014/484381/ 
51. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Тула, 2002. – 392 с.
52. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Технологические проблемы создания субмикронных нейрочипов и нейросистем на пластинах. –http://www. techno.educ.ru   									53. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Чаплыгина Ю.А. – М.: Техносфера, 2005. – 448 с.										54.  Технологии производства микроактюаторов.  –  				  http://micromachine.narod.ru/po.htm      							55. http://www.memscap.com/fr_standards.html  					56. Вернер В.Д., Пурцхванидзе И.А. Микросистемы: проблемы и решения. –http://www.microsystems.ru/files/publ/489.htm  				57. Mehregany М., Roy S. Microengineering Aerospace Systems. Capter 1. – http://www.aero.org/publications/helvajian/helvajian-3.html  			58. Белоглазов В.И., Суховеев С.П., Суетен Н.В. Создание микронных и субмикронных трехмерных структур с использованием стекловолоконных технологий. –  http://www.microsystems.ru/files/publ/3.htm  				59. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Технологические проблемы создания субмикронных нейрочипов и нейросистем на пластинах. –http://www. techno.educ.ru    									60. Золотухо Р., Кривченко И. Конфигурируемая система на кристалле Е5 – первое знакомство // Компоненты и технологии. – 2001. – № 1.  	 – С. 26–29.  												61. Вернер В.Д., Пурцхванидзе И.А. Микросистемы: проблемы и решения. –http://www.microsystems.ru/files/publ/489.htm  				62. Колганов С. ОАО “Конструкторское бюро-1”. 
–  http://http://old.vko.ru/article.asp?pr_sign=archive.2006  				63. Евтушенко Н.Д., Немудров В.Г., Сырцов И.А.  Методология проектирования систем на кристалле. Основные принципы, методы, программные средства // Электроника. – 2003. – № 3. –				  http://www.mriprogress.msk.ru/news.php@id=7   						64. Попович А. Плис Actel как платформа для “систем на кристалле” бортовой электроники тяжёлых условий эксплуатации.  –      			 http://www.actel.ru/Docs/ntb4.pdf   								65. Кривченко И. Системы на кристалле: общее представление и тенденции развития // Компоненты и технологии. – 2001. – № 6. –
http://www.atmel.ru/Articles/Atmel06.htm  							66.   Компания NextWave Wireless.	–http://www.rlocman.ru/cat/site.html  	67. Антонов С.В. , Герасимов Ю.М. , Смирнов Д.А.  Система на кристалле – методология проектирования. –						 http://www.library.mephi.ru/data/scientific-sessio  					68.   www.microsoft.com   								69.   www.borland.com  									70. www.borland.com   									71.  www.uml.ru  										72. www.mathworks.com  								73. www.mldesigner.com 								74. www.hyperformix.com  								75. www.coware.com									76. www.mentor.com						  			77.  www.elanix.com										78. www.sd.com       									79. Пакет IC Wizard компании MONTEREY DESIGN SYSTEMS. –http://www.montereydesign.com  								80. Система проектирования VisualElite компании SUMMIT DESIGN. –http://www.sd.com  										81. Пакет IC Wizard компании MONTEREY DESIGN SYSTEMS. –http://www.montereydesign.com
         82.  Chip News. – 2003. – № 4. – С. 77.   							83. Бухтеев А. Средства ESL-проектирования компании Celoxica: программно-ориентированный подход // Системы проектирования. – 2006. –Вып. 8. –http://www.Electronics.ru 								84. Материалы центра обучения и проектирования устройств на основе 
реконфигурируемых систем на кристалле. –
http://www.ftp.eto.ru/pub/altera/tp-centr.zip   						85. Метод граничного сканирования и JTAG интерфейса. –http://www.ti.com, http://www.asset-intertech.com, http://www.jtag.com 		86.  Возможности программно-аппаратного комплекса Jtools. –http://www.jtools.by.ru  										87. Стешенко В.Б. Плис фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. – М.: ДОДЭКА, 2000.					
          88.  Система проектування MLDesigner компанії MLDesign Technologies. –http://www.mldesigner.com  						89. Бибило П.Н. Системы проектирования интегральных схем на основе языка VHDL. State CAD, ModelSim, LeonardoSpectrum. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 384 с.  										90. Моделирование МЭМС, используя SUGAR. 				 –http://micromachine.narod.ru/sugar.htm  							91. Свиденко Ю. Обновление программного пакета IntelliSuite для проектирования МЭМС и НЭМС. –  http://www.intellisense.com  			92.   http: //www.eurointech.ru/products/Covtntor/EM3DS_Rus.pdf  		
93. Abaqus ver. 5.7. Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc., Pawtuckct, RI, http://www.hks.com. 
94. MEMCAD  ver. 4.5. Microcosm Technologies, Inc., Research Triangle, NC, http://www.memcad.com. 
95. IntelliSuite,  IntelliSense Corp. Wilmington, MA, http://www.intellisense.com. 
96. Funk J.M., Korvink J.G., Buhler J.,  Bachtold M., Bakes H. SOLIDIS: A tool for microactuator simulation in 3-D // J.Microlectromechanical  Systems. Mar. 1997. Vol. 6,  No 1. P.70–82. 
97. ANSYS/Multiphysics ver. 5.5. Ansys, Inc., Canonsburg, PA,  http://www.ansys.com. ; www.stroitmeh.ru/lect31.htm.
98. Simulink ver. 3.0, The Mathworks, Inc., Natick, MA, http://www.mathworks.com. 
99.  SABER. Analog Inc., Beaverton, Oregon, http://www.analogy.com. 
100. Zhou N., Clark J. V., Pister K. S. J.  “Nodal Analysis for MEMS Design Using SUGARv0.5," Santa Clara CA April 6–8 (1998). 
101. Vandemeer Jan E., Nodal Design of Actuators and Sensors (NODAS), M.S. Thesis.
           102. Теслюк В.М. РОЗРОБКА МОДЕЛЕЙ ТА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ДЛЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО БАГАТОРІВНЕВОГО ПРОЕКТУВАННЯ МЕМС http://vlp.com.ua/files/12_39.pdf	
           103. Альтшуллер Г.С., Шапиро Р. Б.  Теория_решения_изобретательских_задач. https://ru.wikibooks.org/.../э 
104. https://www.linkedin.com/pulse/emerging-future-technologies-we-have-worry-from-anthony-mathenge
104.	Christian Merz, Gerald Kupris/ High Q Impedance Matching for RF Energy Harvesting Applications /Proceedings of the 2016 IEEE 3rd International Symposium on Wireless Systems IDAACS-SWS within the IEEE International Conferences on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (September 26-27, 2016, Offenburg, Germany), pp.45-50.
105.	 Energy Harvesting Systems. Principles, Modelling and Applications. Tom J. Kazmierski, Steve Beeby, Edditors – New York, Dordrecht, Heidelberg, London: Springer, 2011. – 176 p.
106.	Sujesha Sudavalayam, Purushottan Kulkarni. Energy Harvesting Sensor Nodes: Servey&Implications / IEEE Communications Servey&Tutorials, vol.13, No.3, Third Quarter, 2011, pp.443-461.