Mikrofon kapasitif mems berasaskan silikon karbida (SiC) untuk aplikasi julat frekuensi ultrasonik

Abstract

Permasalahan dalam mengesan bunyi pada julat frekuensi tinggi, iaitu julat ultrasonik merupakan cabaran utama pada masa sekarang. Julat frekuensi ultrasonik ini memerlukan sensor yang direka khas kerana julat frekuensi ini jauh lebih tinggi daripada julat pendengaran manusia. Julat pendengaran manusia ialah antara 20 Hz sehingga 20 kHz, manakala julat frekuensi ultrasonik ialah melebihi 20 kHz. Selain itu, terdapat cabaran dalam mengesan perubahan bunyi pada julat frekuensi ultrasonik. Kajian ini mencadangkan silikon karbida (3C-SiC) sebagai bahan membran kerana bahan ini mempunyai ketahanan haba yang tinggi dan kekuatan mekanikal terutamanya Modulus Young yang lebih tinggi berbanding silikon. Dalam kajian ini, mikrofon kapasitif MEMS yang berasaskan 3C-SiC dihasilkan bagi mengesan gelombang bunyi pada julat frekuensi ultrasonik. Mikrofon jenis kapasitif digunakan adalah kerana mikrofon jenis ini dapat menerima gelombang bunyi dengan baik. Peranti mikrofon kapasitif ini bersesuaian untuk diaplikasikan untuk mengesan kebocoran gas pada suhu tinggi seperti di stesen minyak dan saluran paip gas di pelantar minyak. Kebocoran gas di pelantar minyak ini biasanya berlaku pada julat frekuensi ultrasonik. Proses simulasi dilakukan sebelum proses fabrikasi dijalankan. Proses simulasi dilakukan dengan menggunakan perisian Comsol Multiphysics ver. 5.3a. Proses fabrikasi dibahagikan kepada tiga, iaitu fabrikasi membran, fabrikasi plat bawah dan proses pencantuman antara membran dan plat bawah. Proses fabrikasi melibatkan proses punaran basah dan punaran kering bagi menghasilkan membran dan lubang akustik pada plat bawah. Setelah itu, proses pencantuman di antara kedua-dua plat tersebut dilakukan. Membran dan plat bawah dicantum menggunakan self-cure epoxy yang juga dijadikan sebagai pemisah antara kedua-dua plat tersebut. Jarak pemisah ini adalah ketinggian ruang udara bagi struktur mikrofon kapasitif MEMS. Kaedah pengukuran yang digunakan untuk menguji prestasi mikrofon kapasitif MEMS ini ialah pengukuran terhadap nilai kapasitan, voltan pincang, frekuensi resonan dan sensitiviti. Pengukuran nilai kapasitan dan voltan pincang dilakukan menggunakan CV analyzer dan pengukuran frekuensi resonan dilakukan menggunakan Impedance analyzer. Pengukuran sensitiviti dilakukan menggunakan Microphone Comparison Calibration System. Peranti mikrofon kapasitif MEMS yang dihasilkan mempunyai nilai kapasitan 5.19 pF dan 4.88 pF pada voltan pincang sifar. Selain itu, nilai voltan tarik-dalam, 𝑉𝑝𝑢𝑙𝑙−𝑖𝑛 bagi peranti ini ialah 30 V. Setelah pengukuran frekuensi dilakukan, frekuensi resonan bagi peranti mikrofon kapasitif yang dihasilkan ialah sekitar 30 kHz. Sensitiviti peranti mikrofon kapasitif MEMS yang dihasilkan ialah -38 dB bersamaan dengan 12.58 mV/Pa. Ini menunjukkan bahawa mikrofon kapasitif MEMS yang berasaskan 3C-SiC ini mampu beroperasi untuk mengesan gelombang bunyi pada julat frekuensi boleh dengar dan ultrasonik.