機電一體化一董健-final.doc

1 一種電容式硅微機械麥克風的設計與制造 董健董健 浙江工業(yè)大學機械制造及自動化教育部重點實驗室 杭州 310014 摘要摘要 文中給出了一種電容式硅微機械麥克風的設計和制造方法 微機械麥克風在單一硅片上制作 麥克 風的兩個電極由一個三層復合敏感膜和一個帶有通氣孔的金屬銅底板構成 三層復合敏感膜采用低壓化學 氣相淀積 LPCVD 工藝制作 中間一層是摻雜硼的多晶硅 上下兩層是氮化硅 三層復合膜的厚度設計和 制作工藝參數(shù)的選擇使復合膜處于輕微的拉應力狀態(tài) 底板采用低溫電鍍銅技術制作 底板上分布有許多 圓形通氣孔來調節(jié)敏感膜與底板間的空氣壓膜阻尼至臨界阻尼 敏感膜與底板之間采用犧牲層技術形成空 氣間隙 測試結果表明 硅微機械麥克風在 9偏置電壓下的開環(huán)靈敏度為 5 2 工作穩(wěn)定最大電VPa mV 壓為 14 工作時頻率帶寬至少為 適合在工業(yè)界推廣應用 V200 KHz 關鍵詞關鍵詞 電容式硅微機械麥克風 三層復合敏感膜 銅底板 中圖分類號 中圖分類號 TP212 Design and Fabrication of a Condenser Silicon Micromachined Microphone DONG Jian The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation Zhejiang University of Technology Hangzhou 310032 China Abstract This paper presents the design and fabrication of a condenser silicon micromachined microphone Micromachined microphone is fabricated in a single chip Two electrodes of the microphone are formed by a sensing sandwich diaphragm and a perforated copper backplate The sensing sandwich diaphragm is fabricated by LPCVD technology and consists of a layer of heavily doped polycrystalline silicon and two layers of silicon nitride The choice of the thickness and fabrication process parameters of three layers of diaphragm makes diaphragm a slight tensile The backplate is made using copper electroplating technology and perforated with circular holes Perforated circular holes on backplate adjust air gap damping between diaphragm and backplate to critical damping A gap between diaphragm and backplate is formed by sacrificial technology Measurement results show that the open circuit sensitivity with 9bias voltage is 5 2 the pull in voltage is 14 and the working VPa mVV frequency bandwidth is at least Thereby it has promising prospect in industrial field 200 KHz Key words condenser silicon micromachined microphone sensing sandwich diaphragm copper backplate 0前言 采用微機械加工手段和微電子批量生產方式制 作的硅微機械電容式麥克風具有體積小 成本低 高精度 可靠性高和批量制造等優(yōu)點 因而具有較 強的工業(yè)化應用前景 微機械電容式麥克風在工作 時希望敏感膜具有較低的剛度并處于輕微的拉應力 狀態(tài) 底板則希望有較高的剛度 以此保證麥克風 的開環(huán)靈敏度 頻率帶寬 工作穩(wěn)定最大電壓等主 要技術性能指標 同時希望能采用簡單的工藝制作 以適合工業(yè)化批量生產 從 90 年代初期開始 全 世界上許多高校和研究機構都積極地開展了硅微機 械電容式麥克風的研究 并有多種器件獲得成功 D Hohm and G Hess 1 采用的方法是在一塊硅片上 制作麥克風的敏感膜 在另一塊硅片上制作麥克風 的底板 然后用鍵合的方式將敏感膜和底板合成麥 克風 這種制做方法由于需要鍵合兩塊硅片 因此 制做工藝較為復雜 不利于工業(yè)化推廣應用 P R Scheeper 2 首次在單一硅片上集成制作了微機 械麥克風 但由于麥克風敏感膜的內應力較大 導 致了麥克風的靈敏度較低 為了減小單硅片電容式 麥克風敏感膜的內應力 提高麥克風的靈敏度 國 內外許多學者提出了多種解決方案 Andras 2 Kovacs and Axel Stoffel 3 設計的麥克風結構中 在 敏感膜上開了許多釋放內應力的孔 W J Wang R M Lin and D G Gao 4 設計的麥克風結構中 將敏感 膜設計成深溝盆型式 Jing Chen and Litian Liu 5 設 計的麥克風結構中 將敏感膜設計成帶有許多溝槽 的圓形膜 這些措施都減小了微機械麥克風敏感膜 的的內應力 提高了麥克風的靈敏度 但由于敏感 膜的結構和制造工藝過于復雜 也不利于工業(yè)化推 廣 本文提出了一種硅微機械電容式麥克風的簡單 結構 麥克風在單一的硅片上制作 采用氮化硅 摻硼多晶硅 氮化硅三層復合膜作為敏感膜 膜的 制作采用低壓化學氣相淀積工藝 在制造過程中 氮化硅膜一般產生拉應力 摻硼多晶硅膜一般產生 壓應力 并且其內應力值與膜的厚度與制造工藝條 件有關 我們通過設計三層復合膜的厚度組合和選 擇合理的工藝條件 使復合敏感膜處于輕微的拉應 力狀態(tài) 這樣制作的硅微機械電容式麥克風在獲得 低內應力敏感膜的同時避免了復雜的敏感膜結構 制作工藝簡單 適合工業(yè)化生產的要求 麥克風底 板的制作采用低溫電鍍銅技術 麥克風底板上分布 有圓形的通氣孔 用以調節(jié)敏感膜和底板之間的空 氣壓膜阻尼至臨界阻尼 提高麥克風工作時的頻率 帶寬 測試結果表明 硅微機械麥克風在 9偏置V 電壓下的開環(huán)靈敏度為 5 2 工作穩(wěn)定最Pa mV 大電壓為 14 工作頻率帶寬至少為 V200 KHz 這種硅微機械電容式麥克風的設計和制作工藝簡單 性能符合使用要求 適合在工業(yè)界推廣應用 1 微機械麥克風的結構和幾何參數(shù) 如圖 1 所示 硅微機械電容式麥克風包含一個 三層復合導電敏感膜和一個金屬銅底板 敏感膜為 正方形薄膜 四周固定在硅基體上 固定端采用絕 緣層低應力氧化硅將敏感膜與硅基體隔開 膜的結 構為三層復合 中間一層為摻雜硼的多晶硅層 上 下兩層為氮化硅層 金屬銅底板采用電鍍技術制作 依靠八個腳固定在硅基上 在敏感膜和金屬底板之 間 用犧牲層技術構成了一空氣間隙 工作時敏感 膜與底板分別作為硅微機械電容式麥克風的兩個電 極 金屬銅底板上制作了圓形的通氣孔 通氣孔呈 蜂窩狀排列 底板上的通氣孔用來調節(jié)膜與底板間 的空氣壓膜阻尼至臨界阻尼 提高麥克風工作時的 頻率帶寬 硅基底的背面采用濕法腐蝕出聲音進口 腔 硅微機械電容式麥克風的主要幾何尺寸如表 1 所示 a 麥克風平面圖 b 麥克風剖面圖 圖 1 硅微機械電容式麥克風結構圖 2 微機械麥克風的動態(tài)特性分析 2 1 麥克風復合敏感膜物理參數(shù) 硅微機械麥克風敏感膜由三層膜復合而成 上 下兩層為氮化硅 厚度都為 0 1 氮化硅的密m 度為 3050 楊氏模量為 395 泊松比 3 m kgGPa 為 0 27 內應力為 0 36 中間層為多晶硅 GPa 厚度為 0 4 多晶硅的密度為 2300 楊m 3 m kg 氏模量為 155 泊松比為 0 23 內應力為 GPa 0 324 復合敏感膜的基本物理參數(shù) 可以由GPa 等效剛度法計算得到 6 復合敏感膜的楊氏模量 泊松比 平均密度235 EGPa243 0 內應力 考慮內2550 3 m kg396 0 GPa 應力后的等效剛度 考慮內應力2885 eff Km N 后的等效楊氏模量 5 106 7 eff EGPa 表 1 硅微機械電容式麥克風主要幾何尺寸 單位 m 麥克風主要幾何尺寸符號數(shù)值 敏感膜邊長a2000 敏感膜頂層氮化硅厚度 1 h0 1 敏感膜中間層多晶硅厚度 2 h0 4 敏感膜底層氮化硅厚度 3 h0 1 底板邊長b1600 底板厚度 b h15 底板上通氣孔半徑r30 底板上相鄰通氣孔半間距 1 a40 底板上通氣孔個數(shù)N407 敏感膜與底板間隙d2 5 3 2 2 麥克風開環(huán)靈敏度 open S 開環(huán)靈敏度的計算公式如下 7 open S d V P w S b open 1 eff E P h a w 3 42 112 00126 0 2 其中為敏感膜中心處的位移 敏感膜上的w P 壓力 偏置電壓 敏感膜與底板間隙 敏 b Vd eff E 感膜考慮內應力后的等效楊氏模量 敏感膜厚度 h 正方形敏感膜邊長 敏感膜泊松比 a 麥克風工作時 聲音的壓力在 0 11之 PaPa 間 考慮最大壓力的情況 取 將數(shù)據 1 PPa 1 PPa9 b VV 6 105 2 dm 5 106 7 eff EGPa 7 106 hm 3 102 a 和代入公式 1 2 可計算得到m243 0 99 4 open SPa mV 2 3 麥克風工作穩(wěn)定最大電壓 p V 麥克風工作穩(wěn)定最大電壓的計算公式如下 8 p V 0eff 3 eff p 27 8 A dk V 3 22 eff NrbA 4 其中為考慮內應力后敏感膜的等效剛度 eff k 麥克風底板有效電極面積 真空中的介電常 eff A 0 數(shù) 敏感膜與底板的間隙 正方形底板的邊db 長 底板上通氣孔的個數(shù) 通氣孔半徑 Nr 將數(shù)據將 3 106 1 bm407 N 6 1030 rm2885 eff Km N 6 105 2 d 和代入公式 3 4 可計算得m 12 0 10854 8 到83 32 p VV 2 4 麥克風工作頻率特性 2 4 1 復合敏感膜一介振動模態(tài) 0 f 復合敏感膜一介模態(tài)頻率可采用瑞利 里茲 0 f 法計算 計算公式為 22 0 12 15 10 eff E a h f 5 其中為正方形敏感膜邊長 敏感膜厚度 ah 敏感膜考慮內應力后的楊氏模量 敏感膜泊 eff E 松比 敏感膜平均密度 將 3 102 am 7 106 hm 5 106 7 eff EGPa243 0 代入公式 5 可計算得到2550 3 m kg 136 0 fkHz 2 4 2 敏感膜與底板間的振動阻尼比 敏感膜與底板間的振動阻尼為空氣壓膜阻尼 其阻尼系數(shù)可以用下式計算 8 s C k Nd A Cs 3 2 b 2 3 6 3ln44 42 k 7 1 952 0 a r 8 2 b bA 9 其中為正方形底板面積 正方形底板邊長 b Ab 底板上通氣孔的半徑 相鄰通氣孔的半間距 r 1 a 通氣孔個數(shù) 空氣的粘滯系數(shù) 復合敏感N d 膜與底板的間隙 將 5 103 rm 5 1 104 am 6 105 2 dm407 N 5 1082 1 代入公式 6 7 8 9 可計 3 106 1 bm 4 算得到001136 0 s C 阻尼比和阻尼系數(shù)的關系可由下式表示 s C 0 2 s 0 s 44fha C mf C 10 其中為敏感膜平均密度 敏感膜厚度 正方 ha 形敏感膜邊長 敏感膜一介模態(tài)頻率 0 f 將 2550 3 m kg 7 106 hm 代 3 102 am136 0 fkHz001136 0 s C 入 10 式可計算出1083 0 2 4 3 麥克風工作頻率帶寬 復合敏感膜工作在小阻尼狀態(tài) 其共振頻率 可用下式計算 r f 2 0r 21 ff 11 將 代入 11 式可136 0 fkHz1083 0 計算出 因此 理論上麥克風工作時134 r fkHz 的頻率帶寬為 1340 kHz 3微機械麥克風的制作工藝 微機械麥克風的制作工藝如下圖 2 所示 a 硅片正面淀積一層 3厚的低應力氧化硅和m 一層 0 1厚的氮化硅 如圖 2a 所示 m b 硅片正面淀積一層 0 4厚的多晶硅并摻雜m 硼形成導電體 多晶硅刻成正方形區(qū)域 如圖 2b 所示 c 硅片正面淀積另一層 0 1厚的氮化硅形成m 三層復合敏感膜 如圖 2c 所示 d 硅片背面開腐蝕窗口 硅片正面復合敏感膜 上開引線窗口 如圖 2d 所示 e 2 5厚的光刻膠 FH6800L 作為犧牲層涂在m 硅片正面 光刻形成圖形 來構成麥克風敏感膜與 底板之間 2 5的間隙 如圖 2e 所示 m f 犧牲層圖形上濺射 50鈦和 300銅作nmnm 為 電鍍金屬的粘結層和種子層 20厚的電鍍模型m 膠 4620 涂在種子層上 光刻形成圖形 電鍍 15 m 厚的銅底板 如圖 2f 所示 g 用夾具保護正面 硅片背面用濕法腐蝕出聲 音 進口 用濕法腐蝕去除低應力氧化硅 電鍍模型膠 種子層銅 粘結層鈦和犧牲層膠 如圖 2g 所示 最后制作出微機械電容式麥克風器件如圖 3 所 示 4微機械麥克風的信號檢測 4 1 麥克風工作穩(wěn)定最大電壓的測量 p V 在硅微機械電容式麥克風的兩個電極敏感膜和 底板上加上偏置電壓 測量麥克風工作電170 V 容的變化 可以測得如圖 4 所示曲線 圖 2 微機械電容式麥克風工藝流程圖 圖 3 微機械電容式麥克風器件 SEM 照片 圖 4 麥克風工作電容與偏置電壓的關系 圖 4 麥克風工作電容與偏置電壓的關系 5 由圖 4 可知 當偏置電壓為 14時 麥克風V 電容很快地增加 這說明當偏置電壓為 14時 V 麥克風敏感膜開始塌陷與底板貼合 因此麥克風工 作穩(wěn)定最大電壓 此值小于理論計算值 14 p VV 4 2 麥克風開環(huán)靈敏度的測量 open S 將麥克風器件和標準麥克風一起對準一標準聲 源 改變聲音的頻率 用專用電路測量出麥克風器 件在 9V 偏置電壓下感受聲音信號后輸出電壓的變 化值 用標準麥克風標定麥克風器件上所受的聲壓 值 麥克風器件輸出電壓的變化值與聲壓值之比即 為麥克風的開環(huán)靈敏度 根據麥克風在不同聲音頻 率下的開環(huán)靈敏度 可繪制成圖 5 由圖 5 可知 麥克風在的聲音頻200 KHz 率下 開環(huán)靈敏度基本保持在 5 2左右 Pa mV 因此 麥克風在 9偏置電壓工作時 開環(huán)靈敏度V 大于理論計算值 這一開環(huán)2 5 open SPa mV 靈敏度值能滿足聲音測試的要求 麥克風工作時的 頻率帶寬至少為 麥克風測量的聲音200 KHz 頻率在之間 麥克風頻率帶寬也能KHz10Hz100 滿足聲音測試的要求 5 結論 測試結果表明 這種硅微機械麥克風在 9偏V 置電壓下的開環(huán)靈敏度為 5 2 工作穩(wěn)定Pa mV 最大電壓為 14 工作時頻率帶寬至少為V200 滿足聲音測試的要求 并且硅微機械麥克KHz 風結構和制作工藝簡單 適合在工業(yè)界推廣應用 參 考 文 獻 1 D HOHM and G HESS A silicon condenser microphone using bond and etch back technology J Sensors and Actuators 1994 A45 115 124 2 P R SCHEEPER W OLTHUIS and P BERGVELD A silicon condenser microphone with a silicon nitride diaphragm and backplate J J Micromech Microeng 1992 2 187 189 3 A KOVACS and A STOFFEL Fabrication of single chip polysilicon condenser structures for microphone applications J J Micromech Microeng 1995 5 86 90 4 W J WANG R M LIN and D G GAO St