Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время микросистемная техника (МСТ) стала признанным научно-техническим направлением Вместе с тем ее коммерческое приложение в основном связано с производством микроэлектромеханических систем (МЭМС) Основной технологией их производства остается кремниевая микрообработка Потребность в МЭМС заметно возросла в последнее время за счет их применения в мобильной (носимой) технике индивидуального использования.
В мобильном телефоне могут быть применены восемь типов МЭМС-конструкций Главенствующая роль принадлежит МЭМС-микрофону. Первоначально в мобильных телефонах были использованы электретные микрофоны Однако из-за необходимости создания источника питания за счет электретного эффекта площадь диафрагмы микрофона (и, следовательно, всего микрофона) не могла быть достаточно минимизирована Замена их на конденсаторные МЭМС-микрофоны позволяет уменьшить размер диафрагмы до 10 раз В настоящее время МЭМС-конденсаторные микрофоны выпускает свыше 15 фирм
Общий объем продаж МЭМС-микрофонов составляет в настоящее время 5-10% от общего рынка микрофонов для мобильного телефона Темп годового роста 20%
В России пока не производили МЭМС-микрофоны В связи с этим становится актуальным развитие методологии разработки элементов МЭМС-микрофона на базе опыта производства других МЭМС-приборов: датчиков давления, акселерометров, виброметров. На этапе выбора конструкции, материала и технологии производства компонентов МЭМС-микрофона необходимо проанализировать существующие методы расчетов и проектирования виброакустических элементов с учетом технологического базиса, разработанного в России и, в частности, в ГНЦ «Технологический центр» МИЭТ. Опыт зарубежных фирм показывает, что отработка конструкции МЭМС-микрофона занимает несколько лет и требует достаточно крупных вложений
Основным элементом микрофона является упругая диафрагма, которая часто используется и в других типах электроакустических преобразователей (ЭАП), например, в виброметрах Конструкция и технология изготовления диафрагмы для МЭМС отличаются от принятых ранее методов их изготовления В
связи с этим актуально исследование конструктивно-технологического базиса МЭМС для диафрагменных ЭАП по двум направлениям- общая методология разработки элементов МЭМС ЭАП, включая микрофон и технологические варианты их создания на производственной базе НПК «Технологический центр» МИЭТ.
В представленной работе ставились следующие задачи
Провести анализ методов расчета основных элементов микроэлектроакустических преобразователей на примере МЭМС-микрофонов.
Разработать конструкцию экспериментального образца электроакустического преобразователя на базе МЭМС.
Выбрать и исследовать технологические процессы и маршруты для создания экспериментального образца.
Исследовать параметры экспериментального образца и их зависимости от элементов конструкции и технологии их изготовления.
Предложить методологию расчета, проектирования и производства микроэлектроакустических преобразователей на базе МЭМС
Научная новизна результатов:
Одновременное задание основных параметров ЭАП (частоты собственных колебаний диафрагмы и чувствительности) существенно ограничивает выбор конструкции и размеров МЭМС-диафрагмы.
Использование модели диафрагмы в форме пластины для диэлектрических пленок ограничено наличием внутренних напряжений. При растягивающих напряжениях выше 20-40 МПа необходим переход к модели мембраны или промежуточной модели Внутренние сжимающие напряжения приводят к уменьшению чувствительности
Куполообразная остаточная деформация диафрагм, возникшая под действием остаточных напряжений выше критического делает их непригодными для использования в ЭАП.
Остаточная деформация двухслойных диафрагм может быть устранена подбором толщины и уровня внутренних напряжений разного знака в пленках. Гофрирование диафрагмы может локализовать область остаточной деформации
5. Зависимость уровня напряжения в многослойных пленках от условий осаждения и обработки на конкретном производстве приводит к формированию «фирменного» перечня характеристик пленок и невозможности единого для всех производств технологического маршрута.
Практическая значимость'
1. Разработана методика предварительного выбора параметров конструкции чувствительного элемента ЭАП на основе расчета по простым аналитическим зависимостям и эмпирическим соотношениям параметров конструкции.
2 Предложены методы оценки параметров электромеханических аналогов ЭАП для МЭМС-конструкций.
Разработаны технологические маршруты создания диафрагм из 5«С?2 или S13N4 с учетом коррекции внутренних напряжений в композитной пленке.
Предложена методика выбора последовательности этапов разработки, проектирования и изготовления ЭАП-МЭМС.
Реализация результатов работы. Разработанные и изготовленные на опытном производстве НПК «Технологический центр» МИЭТ компоненты ЭАП-МЭМС переданы заказчику
На защиту выносятся1
1. Методика выбора параметров конструкции емкостного чувствительного элемента ЭАП-МЭМС.
Способы изменения параметров чувствительного элемента ЭАП
Результат компьютерного моделирования диафрагмы ЭАП.
4. Результаты исследования технологического маршрута изготовления диафрагм из Si02 и/или Si^N*.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на конференциях-
13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2006». Зеленоград, апрель, 2006.
10-я международная научная конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники - ПЭМ'06». ТРГРУ, Дивномроское, сентябрь 2006.
3. Конференция молодых специалистов, в/ч 35533,2004
Публикации Основные результаты отражены в четырех статьях, 3
тезисах докладов на научно-технических конференциях и в двух отчетах по НИОКР.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 84 наименований Объем диссертации составляет 128 страниц и включает 63 рисунка и 17 таблиц
