Тема 2. Микромеханические структуры

9. Мембранные и балочные элементы микросистем. Методы формирования.

Мембранные и балочные элементы – структурные компоненты микроэлектромеханических систем (MEMS), таких как датчики давления, акселерометры и микроактюаторы. Эти элементы используются для преобразования механических, термических или электрических воздействий в измеримые сигналы.

Мембранная жёсткость выше изгибной

1. Мембранные элементы

Мембрана — это тонкая плёнка, обычно из кремния или кремний-нитрида, которая свободно растягивается над полостью. Она реагирует на внешние воздействия и деформируется.

Применение: Датчики давления: Микрофлюидика: Акустика:

Критерий	Вид мембран	Описание
По толщине	Ультратонкие (< 1 мкм)	Мембраны с толщиной менее 1 мкм. Очень чувствительны к внешним воздействиям, обеспечивая высокую точность работы.
	Толстые (> 10 мкм)	Мембраны с толщиной более 10 мкм. Отличаются высокой механической прочностью, что позволяет использовать их в устройствах для работы при высоких нагрузках.
По поверхности	Плоские	Гладкая, равномерная поверхность Закреплены по контуру, одна толщина
	Профилированные	С заранее заданной сложной геометрией, такой как выпуклые, вогнутые или с узорами. Для повышения чувствительности и компенсации напряжений, Для концентрации напряжений в опр. обл. мембраны. Разная толщина
	Гофрированные	Мембраны с волнистой или складчатой поверхностью. Повышают устойчивость к механическим воздействиям и допускают большие деформации. Толщина поверхности постоянна, меняется её профиль.
	Перфорированные	Мембраны с отверстиями разных форм для релаксации напряжений
	Композиционные	Сочетания разных материалов, которые могут релаксировать напряжения друг друга
По конструкции	Пластины
	Собственные мембраны

Методы формирования мембран:

1. Химическое травление кремния (анизотропное):

   • Используется травитель, например, KOH или TMAH.

   • Полость формируется путём растворения нижнего слоя кремния.

2. Тонкоплёночные технологии:

   • Нанесение тонких плёнок материалов, таких как Si₃N₄, SiO₂, или полиимид, на подложку.

   • Формирование мембраны после травления подложки.

3. Смешанные технологии:

2. Балочные элементы

Балка — это длинный и узкий элемент, закреплённый на одном или двух концах. Она используется для регистрации изгиба, деформации или колебаний.

Применение:

• Акселерометры: Определение ускорения по степени деформации балки.

• Резонаторы: Частотно-зависимые элементы в фильтрах и генераторах.

• Микровесы: Измерение массы наночастиц или биомолекул.

Методы формирования балок:

1. Фотолитография и травление:

   • Создание маски с формой балки, а затем удаление ненужного материала с помощью DRIE или мокрого травления.

2. Распыление и осаждение:

   • Осаждение материала балки (например, алюминия, поликремния) на подложку с последующим травлением для выделения балки.

3. Технология "жертвенного слоя":

   • Создание временного слоя (обычно SiO₂), на котором формируется балка. Затем жертвенный слой удаляется, оставляя свободно подвешенный элемент.

Ключевые различия мембран и балок

Параметр	Мембрана	Балка
Форма	Плоская плёнка над полостью	Узкая и длинная, закреплённая на концах
Деформация	Растяжение или изгиб	Изгиб или вибрации
Применение	Датчики давления, микрофлюидика	Акселерометры, резонаторы
Материалы	Si, Si₃N₄, полиимид	Поликремний, металл, нитриды кремния

Консоль – закреплённая на одном конце балка.

Торсионы – балка, осуществляющая деформацию кручения.

Струна – балка, у которой мембранная жёсткость преобладает над изгибной.

10. Влияние внутренних механических напряжений на деформацию мембран и балок.

11. Нелинейные прогибы мембранных и балочных элементов.