Размеры и конструкция корпуса мембранного модуля оказывают значительное влияние на его характеристики. Из-за сложности конструкции корпуса для расчета амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) мембраны мембранного модуля необходимо использовать конечно-элементное моделирование. В работе предложен способ моделирования тонкой диэлектрической мембраны в составе мембранного модуля с использованием структурно-акустического анализа в программном комплексе ANSYS. Данный метод позволяет проводить расчет с учетом влияния размеров надмембранного и подмембранного объемов. Получены зависимости резонансной частоты надмембранного объема от его геометрических размеров. Показано, что с увеличением размера подмембранного объема чувствительность мембраны приближается к значению в открытом пространстве. Проведено сравнение АЧХ мембранных модулей и показано, что наличие надмембранного и подмебранного объемов значительно влияет на значения резонансной частоты и чувствительности. Использован способ задания остаточных напряжений в мембране с помощью термического воздействия. Выполнен расчет чувствительности диэлектрической мембраны с учетом эффекта буклетирования. Проведен анализ полученных результатов и показано, что чувствительность мембраны, рассчитанная с учетом эффекта буклетирования, имеет хорошее совпадение с результатами измерений. Предложенный способ позволяет рассчитывать АЧХ мембранного модуля с учетом влияния конструктивных особенностей корпуса, а также остаточных механических напряжений в мембране. Использование структурно-акустического анализа дает возможность добиться более точных результатов при расчете АЧХ мембраны, что повысит эффективность проектирования преобразователей акустического давления и обеспечит достижение оптимальных характеристик изделия.
1. Вернер В.Д., Мальцев П.П., Сауров А.Н. МЭМС и третья индустриальная револю-ция // Нано- и микросистемная техника. – 2012. – №. 11. – С. 2–5.
2. Амеличев В.В., Ильков А.В. Конструктивно-технологический базис создания элек-троакустических преобразователей. – М.: Техносфера, 2012. – 104 c.
3. Резнев А.А., Вернер В.Д. Тенденции развития МЭМС. – М.: Амиант, 2010. – 274 с.
4. Gasket design for optimal acoustic performance in MEMS microphones. – URL: http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/e9/86/75/b2/8e/fd/48/69/DM00103201.pdf/files/DM00103201.pdf/jcr:content/translations/en.DM00103201.pdf (дата обращения: 09.10.2017).
5. Gruca G.L. Ferrule-top micromachined devices: A universal platform for optomechanical sensing: Doctor’s thesis. – Amsterdam: Vrije Universiteit, 2014. – 160 p.
6. Greywall D.S. Micromachined optical-interference microphone // Sensors and Actuators A: Physical. – 1999. – Vol. 75. – N. 3. – P. 257–268.
7. ANSYS parametric design language guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2013. – 110 p.
8. Czarny J. Conception, fabrication and characterization of a MEMS microphone: Doctor’s thesis. – Lyon: INSA. – 2015. – 128 p.
9. CMOS-MEMS: Advanced micro and nanosystems / H. Baltes, O. Brand, G.K. Fedder et al. – John Wiley & Sons, 2008. – 608 p.
10. Ziebart V., Paul O., Baltes H. Strongly buckled square micromachined membranes // Journal of Microelectromechanical Systems. – 1999. – Vol. 8. – N. 4. – P. 423–432.
11. Spatially resolved measurement of the stress tensor in thin membranes using bending waves / R. Waitz , C. Lutz , S. Nossner et al. // Physical Review Applied. – 2015. – Vol. 3. – N. 4. – P. 044002-1–044002-7.