机电一体化一董健-final.doc

1 一种电容式硅微机械麦克风的设计与制造 董健董健 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室 杭州 310014 摘要摘要 文中给出了一种电容式硅微机械麦克风的设计和制造方法 微机械麦克风在单一硅片上制作 麦克 风的两个电极由一个三层复合敏感膜和一个带有通气孔的金属铜底板构成 三层复合敏感膜采用低压化学 气相淀积 LPCVD 工艺制作 中间一层是掺杂硼的多晶硅 上下两层是氮化硅 三层复合膜的厚度设计和 制作工艺参数的选择使复合膜处于轻微的拉应力状态 底板采用低温电镀铜技术制作 底板上分布有许多 圆形通气孔来调节敏感膜与底板间的空气压膜阻尼至临界阻尼 敏感膜与底板之间采用牺牲层技术形成空 气间隙 测试结果表明 硅微机械麦克风在 9偏置电压下的开环灵敏度为 5 2 工作稳定最大电VPa mV 压为 14 工作时频率带宽至少为 适合在工业界推广应用 V200 KHz 关键词关键词 电容式硅微机械麦克风 三层复合敏感膜 铜底板 中图分类号 中图分类号 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有体积小 成本低 高精度 可靠性高和批量制造等优点 因而具有较 强的工业化应用前景 微机械电容式麦克风在工作 时希望敏感膜具有较低的刚度并处于轻微的拉应力 状态 底板则希望有较高的刚度 以此保证麦克风 的开环灵敏度 频率带宽 工作稳定最大电压等主 要技术性能指标 同时希望能采用简单的工艺制作 以适合工业化批量生产 从 90 年代初期开始 全 世界上许多高校和研究机构都积极地开展了硅微机 械电容式麦克风的研究 并有多种器件获得成功 D Hohm and G Hess 1 采用的方法是在一块硅片上 制作麦克风的敏感膜 在另一块硅片上制作麦克风 的底板 然后用键合的方式将敏感膜和底板合成麦 克风 这种制做方法由于需要键合两块硅片 因此 制做工艺较为复杂 不利于工业化推广应用 P R Scheeper 2 首次在单一硅片上集成制作了微机 械麦克风 但由于麦克风敏感膜的内应力较大 导 致了麦克风的灵敏度较低 为了减小单硅片电容式 麦克风敏感膜的内应力 提高麦克风的灵敏度 国 内外许多学者提出了多种解决方案 Andras 2 Kovacs and Axel Stoffel 3 设计的麦克风结构中 在 敏感膜上开了许多释放内应力的孔 W J Wang R M Lin and D G Gao 4 设计的麦克风结构中 将敏感 膜设计成深沟盆型式 Jing Chen and Litian Liu 5 设 计的麦克风结构中 将敏感膜设计成带有许多沟槽 的圆形膜 这些措施都减小了微机械麦克风敏感膜 的的内应力 提高了麦克风的灵敏度 但由于敏感 膜的结构和制造工艺过于复杂 也不利于工业化推 广 本文提出了一种硅微机械电容式麦克风的简单 结构 麦克风在单一的硅片上制作 采用氮化硅 掺硼多晶硅 氮化硅三层复合膜作为敏感膜 膜的 制作采用低压化学气相淀积工艺 在制造过程中 氮化硅膜一般产生拉应力 掺硼多晶硅膜一般产生 压应力 并且其内应力值与膜的厚度与制造工艺条 件有关 我们通过设计三层复合膜的厚度组合和选 择合理的工艺条件 使复合敏感膜处于轻微的拉应 力状态 这样制作的硅微机械电容式麦克风在获得 低内应力敏感膜的同时避免了复杂的敏感膜结构 制作工艺简单 适合工业化生产的要求 麦克风底 板的制作采用低温电镀铜技术 麦克风底板上分布 有圆形的通气孔 用以调节敏感膜和底板之间的空 气压膜阻尼至临界阻尼 提高麦克风工作时的频率 带宽 测试结果表明 硅微机械麦克风在 9偏置V 电压下的开环灵敏度为 5 2 工作稳定最Pa mV 大电压为 14 工作频率带宽至少为 V200 KHz 这种硅微机械电容式麦克风的设计和制作工艺简单 性能符合使用要求 适合在工业界推广应用 1 微机械麦克风的结构和几何参数 如图 1 所示 硅微机械电容式麦克风包含一个 三层复合导电敏感膜和一个金属铜底板 敏感膜为 正方形薄膜 四周固定在硅基体上 固定端采用绝 缘层低应力氧化硅将敏感膜与硅基体隔开 膜的结 构为三层复合 中间一层为掺杂硼的多晶硅层 上 下两层为氮化硅层 金属铜底板采用电镀技术制作 依靠八个脚固定在硅基上 在敏感膜和金属底板之 间 用牺牲层技术构成了一空气间隙 工作时敏感 膜与底板分别作为硅微机械电容式麦克风的两个电 极 金属铜底板上制作了圆形的通气孔 通气孔呈 蜂窝状排列 底板上的通气孔用来调节膜与底板间 的空气压膜阻尼至临界阻尼 提高麦克风工作时的 频率带宽 硅基底的背面采用湿法腐蚀出声音进口 腔 硅微机械电容式麦克风的主要几何尺寸如表 1 所示 a 麦克风平面图 b 麦克风剖面图 图 1 硅微机械电容式麦克风结构图 2 微机械麦克风的动态特性分析 2 1 麦克风复合敏感膜物理参数 硅微机械麦克风敏感膜由三层膜复合而成 上 下两层为氮化硅 厚度都为 0 1 氮化硅的密m 度为 3050 杨氏模量为 395 泊松比 3 m kgGPa 为 0 27 内应力为 0 36 中间层为多晶硅 GPa 厚度为 0 4 多晶硅的密度为 2300 杨m 3 m kg 氏模量为 155 泊松比为 0 23 内应力为 GPa 0 324 复合敏感膜的基本物理参数 可以由GPa 等效刚度法计算得到 6 复合敏感膜的杨氏模量 泊松比 平均密度235 EGPa243 0 内应力 考虑内2550 3 m kg396 0 GPa 应力后的等效刚度 考虑内应力2885 eff Km N 后的等效杨氏模量 5 106 7 eff EGPa 表 1 硅微机械电容式麦克风主要几何尺寸 单位 m 麦克风主要几何尺寸符号数值 敏感膜边长a2000 敏感膜顶层氮化硅厚度 1 h0 1 敏感膜中间层多晶硅厚度 2 h0 4 敏感膜底层氮化硅厚度 3 h0 1 底板边长b1600 底板厚度 b h15 底板上通气孔半径r30 底板上相邻通气孔半间距 1 a40 底板上通气孔个数N407 敏感膜与底板间隙d2 5 3 2 2 麦克风开环灵敏度 open S 开环灵敏度的计算公式如下 7 open S d V P w S b open 1 eff E P h a w 3 42 112 00126 0 2 其中为敏感膜中心处的位移 敏感膜上的w P 压力 偏置电压 敏感膜与底板间隙 敏 b Vd eff E 感膜考虑内应力后的等效杨氏模量 敏感膜厚度 h 正方形敏感膜边长 敏感膜泊松比 a 麦克风工作时 声音的压力在 0 11之 PaPa 间 考虑最大压力的情况 取 将数据 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 可计算得到m243 0 99 4 open SPa mV 2 3 麦克风工作稳定最大电压 p V 麦克风工作稳定最大电压的计算公式如下 8 p V 0eff 3 eff p 27 8 A dk V 3 22 eff NrbA 4 其中为考虑内应力后敏感膜的等效刚度 eff k 麦克风底板有效电极面积 真空中的介电常 eff A 0 数 敏感膜与底板的间隙 正方形底板的边db 长 底板上通气孔的个数 通气孔半径 Nr 将数据将 3 106 1 bm407 N 6 1030 rm2885 eff Km N 6 105 2 d 和代入公式 3 4 可计算得m 12 0 10854 8 到83 32 p VV 2 4 麦克风工作频率特性 2 4 1 复合敏感膜一介振动模态 0 f 复合敏感膜一介模态频率可采用瑞利 里兹 0 f 法计算 计算公式为 22 0 12 15 10 eff E a h f 5 其中为正方形敏感膜边长 敏感膜厚度 ah 敏感膜考虑内应力后的杨氏模量 敏感膜泊 eff E 松比 敏感膜平均密度 将 3 102 am 7 106 hm 5 106 7 eff EGPa243 0 代入公式 5 可计算得到2550 3 m kg 136 0 fkHz 2 4 2 敏感膜与底板间的振动阻尼比 敏感膜与底板间的振动阻尼为空气压膜阻尼 其阻尼系数可以用下式计算 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 其中为正方形底板面积 正方形底板边长 b Ab 底板上通气孔的半径 相邻通气孔的半间距 r 1 a 通气孔个数 空气的粘滞系数 复合敏感N d 膜与底板的间隙 将 5 103 rm 5 1 104 am 6 105 2 dm407 N 5 1082 1 代入公式 6 7 8 9 可计 3 106 1 bm 4 算得到001136 0 s C 阻尼比和阻尼系数的关系可由下式表示 s C 0 2 s 0 s 44fha C mf C 10 其中为敏感膜平均密度 敏感膜厚度 正方 ha 形敏感膜边长 敏感膜一介模态频率 0 f 将 2550 3 m kg 7 106 hm 代 3 102 am136 0 fkHz001136 0 s C 入 10 式可计算出1083 0 2 4 3 麦克风工作频率带宽 复合敏感膜工作在小阻尼状态 其共振频率 可用下式计算 r f 2 0r 21 ff 11 将 代入 11 式可136 0 fkHz1083 0 计算出 因此 理论上麦克风工作时134 r fkHz 的频率带宽为 1340 kHz 3微机械麦克风的制作工艺 微机械麦克风的制作工艺如下图 2 所示 a 硅片正面淀积一层 3厚的低应力氧化硅和m 一层 0 1厚的氮化硅 如图 2a 所示 m b 硅片正面淀积一层 0 4厚的多晶硅并掺杂m 硼形成导电体 多晶硅刻成正方形区域 如图 2b 所示 c 硅片正面淀积另一层 0 1厚的氮化硅形成m 三层复合敏感膜 如图 2c 所示 d 硅片背面开腐蚀窗口 硅片正面复合敏感膜 上开引线窗口 如图 2d 所示 e 2 5厚的光刻胶 FH6800L 作为牺牲层涂在m 硅片正面 光刻形成图形 来构成麦克风敏感膜与 底板之间 2 5的间隙 如图 2e 所示 m f 牺牲层图形上溅射 50钛和 300铜作nmnm 为 电镀金属的粘结层和种子层 20厚的电镀模型m 胶 4620 涂在种子层上 光刻形成图形 电镀 15 m 厚的铜底板 如图 2f 所示 g 用夹具保护正面 硅片背面用湿法腐蚀出声 音 进口 用湿法腐蚀去除低应力氧化硅 电镀模型胶 种子层铜 粘结层钛和牺牲层胶 如图 2g 所示 最后制作出微机械电容式麦克风器件如图 3 所 示 4微机械麦克风的信号检测 4 1 麦克风工作稳定最大电压的测量 p V 在硅微机械电容式麦克风的两个电极敏感膜和 底板上加上偏置电压 测量麦克风工作电170 V 容的变化 可以测得如图 4 所示曲线 图 2 微机械电容式麦克风工艺流程图 图 3 微机械电容式麦克风器件 SEM 照片 图 4 麦克风工作电容与偏置电压的关系 图 4 麦克风工作电容与偏置电压的关系 5 由图 4 可知 当偏置电压为 14时 麦克风V 电容很快地增加 这说明当偏置电压为 14时 V 麦克风敏感膜开始塌陷与底板贴合 因此麦克风工 作稳定最大电压 此值小于理论计算值 14 p VV 4 2 麦克风开环灵敏度的测量 open S 将麦克风器件和标准麦克风一起对准一标准声 源 改变声音的频率 用专用电路测量出麦克风器 件在 9V 偏置电压下感受声音信号后输出电压的变 化值 用标准麦克风标定麦克风器件上所受的声压 值 麦克风器件输出电压的变化值与声压值之比即 为麦克风的开环灵敏度 根据麦克风在不同声音频 率下的开环灵敏度 可绘制成图 5 由图 5 可知 麦克风在的声音频200 KHz 率下 开环灵敏度基本保持在 5 2左右 Pa mV 因此 麦克风在 9偏置电压工作时 开环灵敏度V 大于理论计算值 这一开环2 5 open SPa mV 灵敏度值能满足声音测试的要求 麦克风工作时的 频率带宽至少为 麦克风测量的声音200 KHz 频率在之间 麦克风频率带宽也能KHz10Hz100 满足声音测试的要求 5 结论 测试结果表明 这种硅微机械麦克风在 9偏V 置电压下的开环灵敏度为 5 2 工作稳定Pa mV 最大电压为 14 工作时频率带宽至少为V200 满足声音测试的要求 并且硅微机械麦克KHz 风结构和制作工艺简单 适合在工业界推广应用 参 考 文 献 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