微机电系统及纳米技术大作业--微型麦克风

1、微机电系统及纳米技术大作业题目：微型麦克风微型麦克风介绍摘要：随着手机、平板电脑等各种电子设备的不断发展，电子产品不断向小型化、集成化方向发展，其声学输入部分的设计也面临类似的压力，传统的驻极式电容麦克风已经达到了很小的体积，它要有更小的体积、方便易用、具有更大的设计自由度。MEMS麦克风的发展正是这种趋势下的技术产物。本文主要介绍MEMS麦克风的基本原理、结构及声学、工艺。简要叙述MEMS麦克风在新型IT产品使用中的基本应用于市场展望。关键词：MEMS；硅麦克风一、麦克风的发展及分类麦克风也称为传声器，是把声压信号转换为电信号的高灵敏度压力传感器。利用微加工技术可以精确控制麦克风的尺寸和薄膜

2、应力，并且硅微麦克风容许100oC以上的表面贴装，且为单面器件，尺寸为毫米量级，占用面积小、安装简单、成本低。 硅微麦克风包括压阻、电容和压电式，频率范围一般在100Hz-20Hz。电容式麦克风的灵敏度可以达到0.2-25mV/Pa,压阻麦克风的灵敏度约25uV/Pa,压电麦克风的灵敏度为50-250uV/Pa.电容式麦克风可分为驻极体麦克风和电容压缩式麦克风，前者由膜或背板电荷提供驻极电荷，不需要外界偏置源。电容压缩式麦克风利用背极板和麦克风振膜组成平行板电容，由外电源提供偏置电压。电容式硅麦克风在灵敏度、频率响应的平坦度和噪声等基本性能及温度稳定性等方面具有突出的优点，是目前麦克风的主流。

3、硅微麦克风的器件结构主要有以下几种形式：a） 双硅片键合型式如图所示，在一块硅片上制作麦克风敏感膜，在另一块硅片上制作麦克风的底板，然后采用键合的方式制作微机械麦克风。这种方法需要键合两块硅片，因此制作工艺较为复杂，不利于工业化推广应用。b） 单硅片集成型式如图，1-2是一种单硅片集成型式麦克风。但在制作过程中麦克风敏感膜上的内应力不容易控制，为了减小微机械麦克风敏感膜上的内应力，有以下结构。1-3在敏感膜上开了释放内应力的小孔；1-4是将敏感膜设计成深沟盆型式；1-5将敏感膜设计成带有许多沟槽的圆形模；1-6将敏感膜射击场圆形多层膜。二、MEMS麦克风工作原理(1)原理：MEMS麦克风就是用

4、半导体工艺制备的微型电容器，也简称为硅麦克风。既可以通过CMOS MEMS工艺将微麦克风机械结构与集成电路集成到一个芯片上，也可以分别制造MEMS芯片和专用集成电路（ASIC）芯片，再封装到一个表面贴装器件中。MEMS传感器是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路（放大器）、声腔及RF抗噪电路组成。MEMS微电容极头部分包含接受声音的硅振膜和硅背极，硅振膜可直接将接受到的音频信号经MEMS微电容传感器传输给微集成电路，微集成电路可将高阻的音频信号转换并放大成低阻的音频信号，同时经RF抗噪电路滤波，输出与手机前置电路相匹配的电信号，完成“声-电”装换。电容式MEMS麦克风的主要结构：包括一个薄而

5、有弹性的声学振膜，以及一个刚性的背极板。振膜、背极板以及它们之间的空气隙共同组成一个平行板电容器，故有V=Q/C,C=S/x。C为电容量，S为极板的面积，Q是极板间的电压为V时所存储的电荷量，是两级板间介质的介电常数（这里就是空气的介电常数），x是两级板的距离。当声压dP作用于振膜时，引起其两级板间电压的变化为： 因为dxdp，所以输出电压dVdp。这就是电容式MEMS麦克风的声电转换原理。这一原理成立的条件是在声电转换过程中，须保持电容器所储的电荷量Q不变，因此需要外加一个稳定的直流电压给硅微电容充以电荷，使之保持恒定的充电状态，这一功能由电荷泵实现。（2） 等效电路：三、制造工艺1）常用工

6、艺方法MEMS制作的关键技术主要包括:Ic技术,在硅平面技术上发展起来的微机械加工技术,以及封装技术与检测技术。其中硅微机械加工技术是MEMS技术的核心,主要包括在硅片中制造出各种微细圆孔、锥形槽、台阶、锥体、薄膜片、悬臂梁等形态的结构,它主要分为以下两类:(1)体微机械(bulk mieromaehining)加工技术(静电驱动MEMS器件)体微机械加工技术是通过选择掺杂和结晶湿化学腐蚀,从硅衬底上有选择地去除部分材料,形成悬空、膜片和沟、槽等结构,其优点是可以较容易地制作出集合尺寸较大,机械性能较好的器件。同时也存在对材料的浪费大、与集成电路的兼容性不好、很难制造出精细灵敏的系统等缺点。在

7、体微机械加工中,湿法刻湿(wet etching)和干法刻蚀(dry etching)是广泛使用的工艺流程。湿法刻蚀包括各项异性(anisotropic)刻蚀和各项同性 (isotropic)刻蚀,各项异性刻蚀液包括Na0H、KOH和EDP等,各项同性刻蚀液包括HF、HNo3和cH3cooH。各项异性刻蚀的深反应离子刻蚀(DRIE)则是最常见的干法刻蚀。体微机械加工技术在压力和加速度传感器等器件中得到了成功应用。(2)表明微加工技术(surface micromachining)表明微加工技术一般是采用光刻等手段,使得硅片等表面淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形,然后去除某些不需要的薄

8、膜层,从而形成三维结构。由于主要是对表面的一些薄膜进行加工,而且形状控制主要采用平民二维方法,因此被称为表明微加工技术。表面微加工工艺起源于IC生产工艺,其优点在于标注CM0S生产工艺完全兼容,便于集成和批量生产,因此被广泛运用于制作微米量级的传感器与执行器,其缺陷是受到沉积薄膜厚度的限制。2）麦克风封装该电容式硅微机械麦克风封装结构由承载基板、电容式麦克风芯片、ASIC芯片、封装盖体4部分组成。其结构示意如图所示封装流程:(l)基板由PCB板制成,包含至少一个导音孔,基板中间包含一层地屏蔽层,该屏蔽层和盖体内壁上的金属层互连后形成一个法拉第笼,起到静电屏蔽的作用。在PCB基板上可以事先加工出

9、卡槽和标记,利于芯片和封装盖体的定位。(2)MEMS芯片利用专业环氧树脂胶将其固定在PCB基板上,具体操作是:芯片四角的4个端点中,一个端点使用硬质胶固定,另外三点使用软质胶固定,这样可以避免由于应力集中而影响器件的性能和使用寿命,涂胶后进行第一次固化。固化后利用包封胶将芯片四周封边,此处注意不要将包封胶渗透到芯片内部,以免影响器件,然后进行第二次固化:150oC,60min。(3)ASIC芯片的固定和MEMS芯片的固定同步完成,即首先在PCB基板上ASIc芯片的位置涂胶,然后表贴芯片,经过固化后固定芯片。(4)利用金丝球焊技术,实现MEMS芯片、ASIC芯片和PCB基板之间的电互连。在打线后

10、可以利用环氧树脂将ASIC芯片包封保护,如图2一4中虚线部分。(5)在完成上述步骤后,将封装盖体的四角涂覆导电银浆进行一次固化,固化完成后利用包封胶将器件四周完全封住,进行再次固化。封装盖体可以由陶瓷或FR4制作,其内壁包含有金属屏蔽层,或者可以直接用金属材料制作封装盖体。3）性能参数介绍（1）dB SPL表示声压水平，以20uPa为参考。即20uPa=0 dB SPL，1Pa=20lg（1Pa/20uPa）=94 dB SPL (2) dBFS表示相对于满幅值的分贝数，针对数字输出的麦克风（3）dBV 表示相对于1V基准电压的分贝数，1V=0dB（4）灵敏度（Sensitivity）是麦克风

11、的一个主要参数。定义是：对于一个声压水平（通常是是94dB SPL,1Pa），1KH/情况下，麦克风的输出信号大小。对于模拟输出的麦克风，灵敏度可以表示为mV/Pa,或者dBV；对于数字输出的麦克风，灵敏度可以表示为dBFS。（5）A加权（A-weighing）应用于噪声测量的一种特定的噪声加权滤波器，目的是更好地接近人耳对低噪声的感觉。（6）噪声计加权通信电路中用于噪声测量的特定噪声加权（7）dBAA加权分贝，表示声压水平经过A加权处理（8）PSRR指电源抑制比，以dB为单位，该指标数值越大越好（9）EIN等效输入噪声，将由麦克风引起的噪声表述为出现在麦克风输入端的外部噪声源（10）SNR信

12、噪比，单位dB或者dBA，该指标越大越好。定义是：等效输入噪声水平与94dB的差（11）最大声学输入指麦克风可以接受的最大声压水平，或者麦克风的钳位水平，单位dB SPL（12）薄膜电容是麦克风中可以移动的部分（13）背板电容式麦克风中的静止部分（14）后室（back chamber）在麦克风原件后面的封闭的空气体积（15）收音孔（sound port）在麦克风封装上的开口，用来允许声音进入（16）偏置电压（Blas voltage）施加于麦克风背板上的电压（17）方向性指麦克风对于来自不同方向的声音的响应方式。根据方向性，麦克风基本可以分为三类：a.全向， 对来自所有方向的声音有相同的响应；

13、b.单向， 主要响应来自一个方向的声音，通常的单向麦克风都是心型麦克风；c.双向或8字形， 响应来自两个相反方向的声音，而中间部分为零（18）THD总谐波失真。 用来衡量谐波失真的大小，其定义是：所有谐波分量的能量总和与基频信号能量的比值。四、应用采用微机械加工手段和微电子批量生产方式制作的硅微机械电容式麦克风具备体积小、成本低、可靠性高和批量制造等优点,具有较强的工业化大规模生产前景。硅微机械电容式麦克风用途非常广泛,既可用于新型手机和手机模型,也可用于消费类电子产品、笔记本电脑以及医疗设备(如助听器),还可应用于汽车行业(如免提通话装置)。在未来的一段时间内,硅微机械电容式麦克风很可能在消费领