Тема 6. Акустические микросистемы

Устройство

Преимущества

Недостатки

Мембраны

Балки

Тензорезистивные датчики давления

Тензорезистивные акселерометры

Ёмкостные электромеханические преобразователи

Поверхностные ёмкостные акселерометры

Вибрационные микрогироскопы

• Компактность и лёгкость.

• Низкая стоимость благодаря массовому производству.

• Высокая энергоэффективность.

• Возможность интеграции с другими сенсорами (например, акселерометрами) в одной микросхеме.

• Ограниченная чувствительность по сравнению с оптическими гироскопами.

• Чувствительность к внешним вибрациям.

• Температурная нестабильность.

Электростатические актюаторы и микрореле

• Низкое энергопотребление (в отличие от тепловых или электромагнитных устройств).

• Высокая скорость срабатывания (порядок микросекунд).

• Миниатюрные размеры, что делает их идеальными для использования в MEMS.

• Долговечность благодаря отсутствию сложных механических компонентов.

• Низкая создаваемая сила, что ограничивает их применение в устройствах, требующих значительных механических усилий.

• Требуют высоких напряжений для управления.

• Зависимость характеристик от зазора меж ду электродами, что требует высокой точности изготовления.

Терморезисторы. Терморезистивные преобразователи

 Высокая чувствительность к изменениям температуры.

 Компактность и простота конструкции.

• Доступная стоимость.

• Ограниченный диапазон рабочих температур.

• Нелинейность зависимости сопротивления от температуры (особенно у NTC).

• Зависимость характеристик от возраста и условий эксплуатации.

Терморезистивные датчики температуры

Терморезистивные датчики потока

Терморезистивные вакууметры

Терморезистивные микроболометры

Термоэлектрические преобразователи

Термомеханические приводы движения

Мембранный ёмкостной микрофон

• Высокое качество звука

• Широкий частотный диапазон.

• Возможность записи тихих и детализированных звуков.

• Уязвимость к внешним воздействиям (например, шумам, пыли, влаге).

• Высокая стоимость по сравнению с динамическими микрофонами.

• Для работы необходимо внешнее питание

Электретный микрофон

• Не внешней схемы зарядки.

• Компактные и недорогие

• Простота конструкции делает их надежными и долговечными.

• Постепенная потеря заряда в электретном материале (хотя это может занимать десятки лет)

• Менее широкий частотный диапазон и чувствительность

Пьезоэлектрический микрофон

• Не нужно питание

• Не нужны сетчатые электроды

• Компактность и долговечность.

• Простота производства и низкая стоимость

• Устойчивость к перепадам температур и механическим воздействиям

• Ограниченный частотный диапазон (особенно в низкочастотной области, тк стекают сформированные заряды)

• Сравнительно низкое качество звука, что ограничивает использование в профессиональной аудиоаппаратуре

• Нелинейность отклика в зависимости от силы звукового давления

Процесс

Основные особенности технологии микросистемной техники и отличия от технологии микроэлектроники.

Основные принципы технологии «объёмной микромеханики».

Основные принципы технологии «поверхностной микромеханики».

Особенности фотолитографии в технологии микросистем.

Технология анизотропного травления кремния: травители, маски, «стоп-слои».

Технология вертикального ионного травления в изготовлении микросистем.

Механические напряжения в тонких плёнках: причины появления, влияние на микроструктуры.

Методы микрокорпусирования, анодной и эвтектической сварки.

Мембранные и балочные элементы микросистем. Методы формирования.

Влияние внутренних механических напряжений на деформацию мембран и балок.

Нелинейные прогибы мембранных и балочных элементов.

Тензорезистивный эффект в полупроводниках, влияние ориентации, легирования.

Тензорезисторы в интегральном исполнении. Плёночные и диффузионные резисторы: структура (сечение), особенности применения.

Интегральная тензорезистивная мостовая схема: влияние температуры, питания, положения резисторов на мембране.

Номинальные параметры микромеханических преобразователей.

Тензорезистивные датчики давления. Основные типы конструкций и топологий.

Тензорезистивные акселерометры. Линейный и маятниковый акселерометр. Конструкции, тензорезистивная схема. Погрешности измерения.

Ёмкостные электромеханические преобразователи. Основные типы конструкций.

Ёмкостная дифференциальная и мостовая измерительная схема: особенности питания и обратной связи.

Поверхностные ёмкостные акселерометры: основные типы структур, преимущества и недостатки.

Вибрационные микрогироскопы: принцип работы, основные типы, особенности функционирования.

Электростатические актюаторы. Микрореле. Конструкция и принцип работы.

Тепловые микросистемы. Законы теплопередачи. Тепловое сопротивление. Теплоёмкость.

Терморезисторы. Характеристики. Терморезистивные преобразователи.

Терморезистивные датчики температуры. Схемы, конструкции.

Терморезистивные датчики потока. Схемы, конструкции, режимы работы.

Терморезистивные вакуумметры. Схемы, конструкции, режимы работы.

Терморезистивные микроболометры. Схемы, конструкции.

Термоэлектрические преобразователи. Схемы, конструкции.

Термомеханические приводы движения. Конструкции.

Конструкции и принцип действия мембранных ёмкостных микрофонов.

Конструкция и принцип действия электретного микрофона.

Конструкция и принцип действия пьезоэлектрического микрофона.

Обоснование необходимости использования двухсторонней фотолитографии, «стоп-слоёв», вертикального ионного травления в технологии микросистем.

Механические напряжения в тонких плёнках: причины появления, влияние на микроструктуры.

Номинальные значения входного воздействия и выходного сигнала.

Чувствительность тензорезистивного датчика давления: от чего зависит, влияние температуры.

Как повысить чувствительность ёмкостного поверхностного акселерометра?

Как в микрогироскопах обеспечивается селективность измерения угловой скорости относительно линейного ускорения?

Причины появления отрицательного дифференциального сопротивления на ВАХ терморезистора.

Проблемы измерения температуры воздуха терморезистивными датчиками.

От чего зависит быстродействие терморезистивных преобразователей в микроконструкциях?

От чего зависит теплоотдача терморезистора?

Чем определяется мощность, необходимая для перегрева терморезистора на 1 ºС?

Как обеспечивается селективность измерения потока по отношению к изменению температуры газа в терморезистивных анемометрах?

Чем ограничен диапазон измерения терморезистивных вакуумметров?

Как влияет на чувствительность ёмкостного микрофона величина подмембранного воздушного зазора?

Почему практически не используются тензорезистивные преобразователи в микрофонах?

Как повысить чувствительность мембранного преобразователя?

Чем мембрана отличается от пластины, влияние толщины?

Чем обусловлена нелинейность мембранных преобразователей при больших прогибах?