ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ МЕМБРАН ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Аннотация
Микромеханические акустические преобразователи на основе мембран нашли приме-
нение в медицинских системах диагностики, дальномерах, гидроакустике, а также в био-
метрических системах безопасности. Постоянно расширяется круг задач, решаемых та-
кими устройствами, возрастают требования по увеличению диапазона измерения, точно-
сти, уменьшению размеров и энергопотребления. Кроме того, многие акустические при-
ложения нуждаются в массивах датчиков, интегрированных с электронными системами
обработки сигналов. Эти особенности определили необходимость использования методов
микрообработки для их промышленного изготовления. Целью данной работы является
проектирование и формирование кремниевых мембран для акустических датчиков с рабо-
чими диапазонами резонансных частот от 10 кГц до 100 МГц и давления от 0,1 до
1000 кПа. В работе выполнена оценка конструкции мембран из монокристаллического
кремния для изготовления методом анизотропного жидкостного травления. Представле-
ны аналитические зависимости давления и резонансной частоты от геометрических па-
раметров мембран. Определены диапазоны толщин (10–50 мкм) и длины ребра мембран
(200–600 мкм). Выполнен расчет топологии фотошаблона для изготовления таких мембран.
Проведены экспериментальные исследования травления пластины Si раствором 30% КОН
и выявлена скорость травления, которая составила 1,25±0,1 мкм/мин. Методом анизо-
тропного жидкостного травления были сформированы кремниевые мембраны квадратной
формы толщиной 50 мкм с длинами ребер от 200 до 250 мкм с резонансными частотами в
диапазоне от 1,9 до 3 МГц. Полученные результаты могут быть использованы при разра-
ботке акустических датчиков из монокристаллического кремния.
Литература
NDT E Int., 2006, Vol. 39, pp. 525-541.
2. Jiang X., Kim K., Zhang S. [et al.]. High-temperature piezoelectric sensing, Sensors, 2013,
Vol. 14, pp. 144-169.
3. Watson B., Friend J., Yeo L. Piezoelectric ultrasonic micro/milliscale actuators, Sens. Actuators
A Phys., 2009, Vol. 152, pp. 219-233.
4. Donald I.; Macvicar J.; Brown T. Investigation of abdominal masses by pulsed ultrasound,
Lancet, 1958, Vol. 271, pp. 1188-1195.
5. Fenster A., Downey D.B. 3-D ultrasound imaging: a review, IEEE Eng. Med. Biol. Mag., 1996,
Vol. 15, pp. 41-51.
6. ter Haar G.R. High Intensity Focused Ultrasound for the Treatment of Tumors, Echocardiography,
2001, Vol. 18, pp. 317-322.
7. Qiu Y., Wang H., Demore C.E.M. [et al.]. Acoustic devices for particle and cell manipulation
and sensing, Sensors, 2014, Vol. 14, pp. 14806-14838.
8. Wu J., Fedder G.K., Carley L.R. A low-noise low-offset capacitive sensing amplifer for a
50-/spl mu/g//spl radic/Hz monolithic CMOS MEMS accelerometer, IEEE J. Solid-State Circuits,
2004, Vol. 39, pp. 722-30.
9. Xie J., Lee C., Feng H. Design, fabrication, and characterization of CMOS MEMS-based
thermoelectric power generators, J. Microelectromech. Syst., 2010, Vol. 19, pp. 317-324.
10. Hautefeuille M., O’Mahony C., O’Flynn B. [et al.]. A MEMS-based wireless multisensor
module for environmental monitoring, Microelectron. Reliab., 2008, Vol. 48, pp. 906-10.
11. Judy J.W. Microelectromechanical system (MEMS): fabrication, design and applications,
Smart Mater. Struct., 2001, Vol. 10, pp. 1115.
12. Muralt P., Baborowski J. Micromachined ultrasonic transducers and acoustic sensors based on
piezoelectric thin films, J. Electroceram, 2004, Vol. 12, pp. 101-108.
13. Akasheh F., Myers T., Fraser J.D. [et al.]. Development of piezoelectric micromachined ultrasonic
transducers, Sens. Actuators A Phys., 2004, Vol. 111, pp. 275-287.
14. Wang Z., Zhu W., Tan O.K. [et al.]. Ultrasound radiating performances of piezoelectric
micromachined ultrasonic transmitter, Appl. Phys. Lett., 2005, Vol. 86, pp. 033508-033508-3.
15. Muralt P., Ledermann N., Paborowski J. [et. al]. Piezoelectric micromachined ultrasonic
transducers based on PZT thin films, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2005,
Vol. 52, pp. 2276-2288.
16. Ladabaum I., Jin X., Soh H.T. [et al.]. Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1998, Vol. 45, pp. 678-690.
17. Gurun G., Tekes C., Zahorian J. [et al.]. Single-chip CMUT-on-CMOS front-end system for
real-time volumetric IVUS and ICE imaging, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control,
2014, Vol. 61, pp. 239-250.
18. Park K., Oralkan O., Khuri-Yakub B. A comparison between conventional and collapse-mode
capacitive micromachined ultrasonic transducers in 10-MHz 1-D arrays, IEEE Trans.
Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2013, Vol. 60, pp. 1245-1255.
19. Morris D.J., Need R.F., Anderson M.J. [et al.]. Enhanced actuation and acoustic transduction
by pressurization of micromachined piezoelectric diaphragms, Sensors and Actuators A Physical,
2010, Vol. 161, pp. 164-172.
20. Suzuki K., Higuchi K., Tanigawa H. A silicon electrostatic ultrasonic transducer, IEEE Trans.
Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1989, Vol. 36, pp. 620-627.
21. Caronti A., Caliano G., Carotenuto R. [et al.]. Capacitive micromachined ultrasonic transducer
(CMUT) arrays for medical imaging, Microelectron. J., 2006, Vol. 37, pp. 770-777.
22. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems, Sensors and actuators A Physical,
2002, Vol. 99, pp. 3-12.
23. Luchinin V.V., Tairov Yu.M. Nanotekhnologiya: fizika, protsessy, diagnostika, pribory [Nanotechnology:
physics, processes, diagnostics, devices]. Moscow: Fizmatlit, 2006, 552 p.
24. Matyash I.E., Minaylova I.A., Serdega B.K. [i dr.]. Ostatochnye napryazheniya v kremnii i ikh
evolyutsiya pri temperaturnoy obrabotke i obluchenii [Residual stresses and their evolution after
heat treatment and irradiation in silicon], Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Semiconductors/
physics of the solid state], 2017, Vol. 51, No. 9, pp. 1155-1159.
25. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y., Ageev O.A. Effect of PECVD conditions on mechanical stress of
silicon films, Materials Physics and Mechanics, 2018, Vol. 37, No. 1, pp. 67-72.
26. Gusev E.Yu., Zhityaeva Yu.Yu., Kolomiytsev A.S. [i dr.]. Issledovanie rezhimov zhidkostnogo
travleniya zhertvennogo sloya SiO2 dlya formirovaniya mikromekhanicheskikh struktur na
osnove Si*/SiO2/Si [Research of wet SiO2 sacrificial layer etching for MEMS structures forming
based on poly-Si/SiO2/Si], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering
Sciences], 2015, No. 2 (163), pp. 236-245.
27. Franssila S. Introduction to Microfabrication. Chichester: John Wiley & Sons, 2010, pp. 237-254.
