Сотрудники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета исследовали влияние материалов на частоту мембран, что позволило выявить новые закономерности, которые могут усовершенствовать приборы для ультразвуковой диагностики.

Ранее в рамках диссертационной работы и проекта «Мембраны для акустиче-ских микроэлектромеханических датчиков» по конкурсу РФФИ «Аспиранты» ученые Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ проводили исследование, связанное с разработкой и изготовлением кремние-вых мембран в качестве чувствительного элемента (элемент, который воспри-нимает внешнее физическое воздействие), и успешно их применили в воло-конно-оптическом акустическом приемнике, который был разработан Инсти-тутом автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Рос-сийской академии наук (ИАПУ ДВО РАН.) Однако, по словам ученых, в дат-чиках, работающих на частотах свыше 20 кГц применяются тонкопленочные пьезоэлектрики — это материалы, которые под воздействием электрического поля меняют свои размеры (деформируются), а под действием внешней силы, например, давления, способны генерировать электрический заряд. Исходя из этого, у ученых появилась новая задача — оптимизировать мембраны для применения их в ультразвуковой медицинской диагностике.

«Мы решили, что оценка нескольких комбинаций материалов, а также их геометрических параметров поможет выявить, какие именно материалы подходят для применения в акустических микроэлектромеханических дат-чиках ультразвукового диапазона частот», — рассказала младший научный сотрудник Научно-образовательного Центра «Нанотехнологии» ИНЭП ЮФУ Софья Малохатко.

Софья Малохатко

Софья Малохатко

Мембраны, их еще называют датчиками, в таких приборах как правило состо-ят из кремния, изолятора, металла (в качестве электродов) и пьезоэлектрика. Тем не менее, специалисты решили уйти от однослойных мембран (кремние-вых) в сторону новых, не использовавшихся ранее в этой сфере, многослой-ных. Цель работы заключалась в теоретическом исследовании влияния вариа-ции конструкции и материалов пьезоэлектрического материала (ЦТС, ZnO) и металлических электродов (Al, Ti) на резонансную частоту акустических микро-электромеханических датчиков.

«В нашем исследовании мы оценили влияние материалов на частоту мем-бран. Были проведены аналитические расчеты резонансной частоты для двух пьезоэлектрических материалов (цирконат-титанат свинца и оксид цинка), при которых менялась их толщина и площадь», — рассказала Софья Малохатко.

Исследование проводилось Софьей Малохатко под руководством член-корр. РАН, д.т.н., профессора ИНЭП Олега Агеева и к.т.н., доцента ИНЭП Евге-ния Гусева при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта по конкурсу «Аспиранты». Кроме того, данный проект ведется по одному из перспективных направлений федеральной программы «Приоритет 2030», по-бедителем которой является Южный федеральный университет.

Обычно, исследователи, работающие над изучением акустических датчиков, изучают определенную комбинацию материалов. Ученые ЮФУ в своей рабо-те описали подход, позволяющий анализировать широкий диапазон кон-струкций и комбинаций материалов мембраны и оценивать их влияние на ра-бочий диапазон частот акустических микроэлектромеханических датчиков.

«Наше исследование носит в первую очередь оценочный характер и его зна-чимость в том, что, изучив массив значений рассчитанных частот можно увидеть закономерности их изменения и подобрать комбинацию материа-лов, толщину и площадь мембраны для конкретной области применения», — отметила Софья Владимировна.

Итогом исследования стало получение массива значений резонансных частот для того, чтобы, выбрав значение частоты, можно было узнать, какие матери-алы и геометрические параметры позволят ее получить.

По словам специалистов, с помощью результатов проведенного исследования возможна оптимизация конструкций датчиков для медицинской ультразвуко-вой диагностики, например, в допплерографии (ультразвуковое исследование сосудов, артерий и вен), поскольку в приборах ультразвуковой диагностики используются массивы пьезоэлектрических датчиков (преобразователей). Ре-зультаты исследования опубликованы в научном журнале Q4 квартеля Journal of Physics: Conference Series.

В ближайшем будущем ученые планируют изучить влияние других пьезо-электрических материалов, таких как ниобат лития (LiNbO3) и титанант бария (BaTiO3).