Оптимизации конструкции резонансно-частотного МЭМС датчика давления на основе численного моделирования

   Введение. Кремниевые микроэлектромеханические датчики давления резонансно-частотного типа выделяются высокой линейностью и стабильностью выходных характеристик, что делает их особенно перспективными для прецизионных измерений. Представлено исследование влияния геометрии и напряженно-деформированного состояния мембран на чувствительность резонансно-частотных датчиков давления, а также разработка рекомендаций по оптимальному размещению резонаторов и выбору технологического маршрута формирования мембран.

   Метод. С использованием трехмерных моделей мембран различных геометрических форм выполнено численное моделирование их напряженно-деформированного состояния под действием статического давления с помощью метода конечных элементов. Метод позволяет выявить зоны локализации деформаций, наиболее подходящие для размещения резонаторов. Для изготовления тестовых образцов кремниевых мембран применено жидкостное травление с предварительным утонением пластин и последующей финишной механической обработкой.

   Основные результаты. Показано, что максимальная чувствительность достигается при позиционировании резонатора в зонах пиковых растягивающих и сжимающих напряжений. Проведен анализ зависимости формы мембраны на распределение напряжений и отклик резонатора, что позволило выявить оптимальные места расположения резонатора с точки зрения технологических допусков и чувствительности. Выполнено сравнение методов подготовки мембраны: химическое и механическое утонение с последующей полировкой. На основании проведенных измерений параметров шероховатости для мембран, изготовленных разными методами, описана более оптимальная технология их подготовки.

   Обсуждение. Полученные результаты позволяют оптимизировать геометрию и технологический процесс изготовления резонансно-частотного датчика давления, что способствует повышению чувствительности, расширению технологических допусков, снижению затрат на производство и повышению надежности устройств в промышленной эксплуатации.

1. Jha C.M., Bahl G., Melamud R., Chandorkar S.A., Hopcroft M.A., Kim B., Agarwal M., Salvia J., Mehta H., Kenny T.W. High resolution microresonator-based digital temperature sensor // Applied Physics Letters. 2007. V. 91. N 7. P. 074101 doi: 10.1063/1.2768629

2. Кудрявцева Д.А. Использование кремниевого резонатора в резонансных преобразователях давления // Труды Международного симпозиума “Надежность и качество.” 2015. Т. 2. С. 118–121.

3. Lu Y., Zhang S., Yan P., Li Y., Yu J., Chen D., Wang J., Xie B., Chen J. Resonant pressure micro sensors based on dual double ended tuning fork resonators // Micromachines. 2019. V. 10. N 9. P. 560. doi: 10.3390/mi10090560

4. Андреев К.А., Тиняков Ю.Н., Шахнов В.А.. Математические модели гибридных чувствительных элементов датчиков давления // Датчики и системы. 2013. № 9 (172). С. 2–9.

5. Тиняков Ю.Н., Николаева А.С. О расчете мембран датчиков давления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2015. № 6 (105). С. 135–142. doi: 10.18698/0236-3933-2015-6-135-142

6. Clark S.K., Wise K.D. Pressure sensitivity in anisotropically etched thin-diaphragm pressure sensors // Proc. of the IEEE Transactions on Electron Devices. 1979. V. 26. N 12. P. 1887–1896. doi: 10.1109/T-ED.1979.19792

7. Yu Z., Zhao Y., Li L., Tian B., Li C. Geometry optimization for micropressure sensor considering dynamic interference // Review of Scientific Instruments. 2014. V. 85. N 9. P. 095002. doi: 10.1063/1.4895999

8. Гулиева Д.А., Цыпин Б.В., Кучумов Е.В. Повышение чувствительности струнного первичного преобразователя путем изменения габаритно-массовых характеристик чувствительного элемента // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2020. N 3 (55). С. 88–97. doi: 10.21685/2072-3059-2020-3-9

9. Munas F.R., Amarasinghe Y.W.R., Kumarage P., Dao D.V., Dau V.T. Design and simulation of MEMS based piezoresitive pressure sensor for microfluidic applications // Proc. of the Moratuwa Engineering Research Conference (MERCon). 2018. P. 215–220. doi: 10.1109/MERCon.2018.8421908

10. Тун П.В., Симонов Б.М., Тимошенков С.П. Исследование возможностей повышения чувствительности МЭМС-датчика давления емкостного типа с мембранами различных геометрических форм // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2023. Т. 28. № 2. С. 222–231. doi: 10.24151/1561-5405-2023-28-2-222-231

11. Волков В.С., Французов М.В., Рыблова Е.А. Аналитическое и численное моделирование чувствительных элементов полупроводниковых датчиков давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2016. № 2 (16). С. 110–117.

12. Цибизов П.Н. Чувствительные элементы для микроэлектронных датчиков давления информационно-измерительных систем : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пенза, 2007. 173 с.

13. Цыпин Б.В., Арискина Е.В., Щипанов В.Д., Ярославцева Д.А., Волков В.С., Баринов И.Н. Моделирование характеристик чувствительных элементов микромеханических датчиков давлений для эксплуатации в особо жестких условиях // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2013. № 2 (4). С. 30–36.

14. Li Y., Lu Y., Xie B., Chen J., Wang J., Chen D. A micromachined resonant differential pressure sensor // IEEE Transactions on Electron Devices. 2020. V. 67. N 2. P. 640–645. doi: 10.1109/TED.2019.2957880

15. Lu Y., Yan P., Xiang C., Chen D., Wang J., Xie B., Chen J. A resonant pressure microsensor with the measurement range of 1 MPa based on sensitivities balanced dual resonators // Sensors. 2019. V. 19. N 10. P. 2272. doi: 10.3390/s19102272

16. Xiang C., Lu Y., Cheng C., Wang J., Chen D., Chen J. A resonant pressure microsensor with a wide pressure measurement range // Micromachines. 2021. V. 12. N. 4. P. 382. doi: 10.3390/mi12040382

17. Yan P., Lu Y., Xiang C., Wang J., Chen D., Chen J. A temperature-insensitive resonant pressure micro sensor based on silicon-on-glass vacuum packaging // Sensors. 2019. V. 19. N 18. P. 3866. doi: 10.3390/s19183866

18. Harada K., Ikeda K., Kuwayama H., Murayama H. Various applications of resonant pressure sensor chip based on 3-D micromachining // Sensors and Actuators A: Physical. 1999. V. 73. N 3. P. 261–266. doi: 10.1016/S0924-4247(98)00245-3

19. Данилина Т.И., Смирнова К.И., Илюшин В.А., Величко А.А. Процессы Микро- и Нанотехнологии: учебное пособие. Томск: ТУСУР, 2004. 260 с.

20. Sundaram K.B., Vijayakumar A., Subramanian G. Smooth etching of silicon using TMAH and isopropyl alcohol for MEMS applications // Microelectronic Engineering. 2005. V. 77. N 3-4. P. 230–241. doi: 10.1016/j.mee.2004.11.004

21. Mitsumori K. Silicon etching // Scientific Wet Process Technology for Innovative LSI/FPD Manufacturing. 2018. P. 252–263. doi: 10.1201/9781315221076

22. Pal P., Swarnalatha V., Rao A.V.N., Pandey A.K., Tanaka H., Sato K. High speed silicon wet anisotropic etching for applications in bulk micromachining: a review // Micro and Nano Systems Letters. 2021. V. 9. N 1. P. 4. doi: 10.1186/s40486-021-00129-0

23. Yu X., Ye Y., Zhu P., Wu L., Shen R., Zhu C. Wet anisotropic etching characteristics of Si{111} in KOH-based solution // ACS Omega. 2025. V. 10. N 3. P. 2940–2948. doi: 10.1021/acsomega.4c09272