Abstract
<jats:p>В статье рассматривается перспективная технология изготовления чувствительных элементов из плавленого кварца для акселерометров, основанная на предварительной фемтосекундной лазерной обработке заготовки с последующим химическим травлением. Данный подход предлагается для устранения недостатков традиционной технологии жидкостного химического травления, таких как низкая скорость и формирование дефектов на кромках. Основной целью работы является разработка математической модели и проведение численного моделирования процесса фемтосекундной лазерной абляции кварцевого стекла для оптимизации параметров обработки. Построена мультифизическая модель в среде COMSOL Multiphysics, объединяющая уравнения для описания нелинейного оптического поглощения, генерации электронной плазмы, теплопереноса и критерия удаления материала. Результаты моделирования, включая распределение температуры и зависимость глубины модификации от плотности энергии лазерного импульса, подтверждают адекватность модели и позволяют обосновать выбор параметров лазерного источника. Разработанная модель служит основой для оптимизации технологии предобработки кварцевых чувствительных элементов, направленной на повышение точности и качества микроструктур при производстве акселерометров для инерциальной навигации.</jats:p> <jats:p>Introduction. Quartz-based accelerometers occupy an intermediate position between floated and silicon microelectromechanical systems (MEMS) in terms of both accuracy and manufacturing cost. This balance has led to their widespread adoption, offering a relatively low cost and compact size while achieving accuracy levels sufficient for autonomous inertial navigation. The aim of this work is to develop a mathematical description of the femtosecond laser ablation process for quartz glass. Analytical solution. An analytical solution is presented, encompassing equations for laser radiation propagation within the substrate, heat conduction, heat loss, boundary conditions, and ablation depth. The model assumes the validity of the heat conduction equation in the femtosecond regime, thereby neglecting energy transfer via ballistic and diffusive electron propagation – a recognized approximation. Under specific parametric conditions, ballistic transport can produce heat penetration depths similar to those expected from diffusive transport. However, similar dependencies have also been derived for hot electron diffusion. Furthermore, other phenomena, such as crystal lattice deformation and thermionic emission, may also play significant roles. Conclusion. Based on this analytical framework, a physical model was implemented in COMSOL Multiphysics. The model represents a two-dimensional quartz glass substrate subjected to a point source of laser radiation at a normal incidence. Simulation of the laser-substrate interaction yielded the relationship between laser energy flux density and the depth of surface modification. The modeling confirms an exponential attenuation of laser intensity by approximately two orders of magnitude over a depth of 10–100 μm for an incident intensity I₀ ≈ 5×10¹² W/m² and an absorption coefficient α ≈ 10⁵–10⁶ m⁻¹. These results validate the use of femtosecond laser pretreatment for fabricating micro-features in quartz pendulous MEMS accelerometers: controlled modification to depths of 0.3–1 μm enhances the precision of subsequent chemical etching. The model can be extended to three-dimensional geometries and can be used to optimize laser parameters for industrial implementation.</jats:p>