Пассивные и активные мембраны для устройств микросистемной техники

• Автор: Кривошеева, Александра Николаевна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 150 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Мембранные элементы микромеханических систем конструкции и материалы

1.1. Мембранные элементы в устройствах микромеханики.

1.1.1. Формы мембран однослойные, многослойные, гофрированные, перфорированные.

1.1.2. Пассивные и активные мембраны.

1.2. Материалы, применяемые в конструкциях сенсоров и актюаторов мембранного типа.

1.2.1. Кремний.

1.2.2. Оксид и нитрид кремния

1.2.3. Нитрид алюминия и карбид кремния

1.3. Конструкции микромеханических датчиков и актюаторов мембранного типа.

1.3.1. Микродатчики повышенного и пониженного давления.

1.3.2. Акустические микродатчики.
1.3.3. Актюаторы на основе активных мембран
Глава 2. Особенности технологии базовых материалов для микромеханических мембран
2.1. Осаждение слоев нитрида кремния.
2.2. Осаждение слоев нитрида алюминия и карбида кремния
2.3. Анализ механических напряжений в слоях для микромеханических
преобразователей
Глава 3. Управление механическими напряжениями в мембранных слоевых структурах.
3.1. Методы измерения и расчета встроенных механических напряжений в слоях и слоевых композициях
3.1.1. Расчет напряженнодеформированного состояния пластин и мембран
3.1.2. Анализ работы акустического преобразователя.
3.1.3. Экспериментальная установка для исследования прогиба мембран в зависимости от внешних воздействий
3.1.4. Экспериментальные исследования влияния параметров процесса осаждения слоев на их механические свойства.
3.1.5. Исследование внутренних механических напряжений в слоях нитрида
алюминия в составе структур
3.2. Способы управления механическими напряжениями в мембранных слоевых структурах
3.2.1. Компенсация механических напряжений в двухслойных структурах
3.2.2. Релаксация механических напряжений в конструкциях с гофрированной мембраной.
3.2.3. Технология изготовления чувствительного.
элемента акустического датчика на основе гофрированных мембран.
3.2.4. Технология изготовления микроэлектромеханического пьезоэлектрического преобразователя на основе нитрида алюминия.
3.2.5. Активное управление механическими напряжениями в
микромеханических структурах с пьезоэлектрическим слоем
Глава 4. Микромеханические преобразователи на основе пассивных и активных мембран
4.1. Акустический микрооптомеханический датчик на основе гофрированной мембраны.
4.2. Пьезоэлектрический микроактюатор мембранного типа на основе композиции слоев нитрида кремния и нитрида алюминия
4.2.1. Конструкция микроэлектромеханического пьезоэлектрического актюатора на основе нитрида алюминия.
4.2.2. Статические и динамические характеристики пьезоэлектрического
микроэлектромеханического актюатора
Заключение.
Литература


В нашей работе пассивной мембраной будем называть мембрану, способную совершать перемещение только при внешнем механическом воздействии, а активной как при механическом воздействии, так и за счет немеханической энергии, преобразуемой частями мембраны в механические напряжения и деформации. Характеристики мембранного устройства определяются конструкцией мембраны, свойствами материала, из которого она изготовлена, и условиями закрепления по контуру. Конструкция мембраны определяется не только ее формой, свойствами входящих в ее структуру слоев, но и наличием на ее поверхности дополнительных элементов. Формы упругих элементов мембранного типа могут быть самыми разнообразными круглые, квадратные, прямоугольные, треугольные, многоугольные по профилю сечения плоские, профилированные с одним или несколькими жесткими центрами, перфорированные. При переходе к микронным и субмикронным толщинам мембран значительное влияние на упругие свойства мембраны оказывают остаточные механические напряжения слоев, составляющих мембрану. Однако этот ограничивающий фактор может быть использован для управления свойствами мембраны и повышения ее чувствительности. Управление остаточными напряжениями в мембранах осуществляется как изменением параметров процесса осаждения слоев, так и конструктивными методами. Назначение мембранного элемента в устройствах микромеханики преобразование какоголибо внешнего воздействия в деформацию перемещение, прогиб мембраны или какоголибо вида энергии в механическое перемещение, сосредоточенное или распределенное усилие. Эффективность преобразования в первом случае характеризуется чувствительностью мембраны к внешнему воздействию и определяется как отношение величины прогиба мембраны к величине воздействия. В случае, когда в измерительной системе определяется не прогиб мембраны, а изменение какойлибо характеристики измерительного элемента на поверхности мембраны вследствие ее деформации например, тензосопротивление, чувствительность является характеристикой преобразователя и выражается через изменение немеханического параметра сопротивления, проводимости, заряда, разности потенциалов, тока при единичном изменении механического. Для описания эффективности работы мембраны в качестве активного элемента вводится коэффициент преобразования характеристика, равная отношению прогиба мембраны или развиваемого усилия к величине воздействия, вызвавшего этот прогиб усилие. Существует достаточно большое количество способов управления жесткостью упругих элементов. Так для круглой мембраны радиуса Я и толщины Ь величина прогиба у будет пропорциональна Л4 и обратно пропорциональна Ь3. Кроме размеров значительное влияние на жесткость упругого элемента оказывает его форма в плане и в профиле. Так в 3 показано, что квадратные мембраны обладают меньшей жесткостью, чем, например, треугольные. Наличие жесткого центра или ребер жесткости делает мембрану менее гибкой, а наличие гофров и перфорации наоборот. Кроме формы и размеров на характеристики мембраны влияют свойства составляющих ее материалов модули упругости или жесткости, внутренние механические напряжения, тепловые напряжения и окружающего мембрану пространства воздушного или жидкостного. Использование композитных мембран, состоящих из нескольких слоев, представляет широкие возможности для управления жесткостью мембран. Если ранее в макромембранах сочетание нескольких слоев применялось в основном для придания мембране большей жесткости и прочности композиционные материалы, то в микросистемах значительным фактором становятся внутренние механические напряжения сочетаемых слоев фактор, позволяющий как увеличивать, так и уменьшать жесткость многослойных мембран, и, как следствие, управлять ее чувствительностью. Поскольку напряжения в мембране в отличие от пластины являются ее неотъемлемой характеристикой, в зависимости от знака и величины напряжения можно получить мембраны разной формы, которые могут быть конструктивной основой для разнообразных устройств. Плоские мембраны используются в качестве несущей конструкции преобразователей, в которых необходимо минимизировать теплоотвод через детали конструкции, ИКизлучателей, датчиков вакуума, потока и др.