纹膜结构微麦克风的动态特性_使用EDA_CAD工具进行Top-down设计VIP免费

第22卷第7期半导体学报VOl.22NO.72001年7月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJuly2001陈兢男博士研究生主要研究领域为固体集成传感器和微声学器件.刘理天男教授主要研究领域为集成传感器和MEMS.2000-06-28收到2000-10-27定稿Oc2001中国电子学会纹膜结构微麦克风的动态特性:使用EDA/CAD工具进行Top-down设计陈兢刘理天李志坚(清华大学微电子学研究所北京100084D摘要:综合使用通用电路模拟软件PSPICE和有限元分析软件ANSS对一种硅基微麦克风进行了系统模拟.得到了各项参数的优化值优化后的微麦克风在音频范围内具有平直的响应.在此基础上提出了一种TOP-dOwf的优化设计方式以准确预测系统的行为分析了各组件的相互作用及其对系统性能的影响.关键词:MEMS;CAD;动态特性;微麦克风;纹膜EEACC:1130B;2575;6540中图分类号:O421+.4;TN402;TN641文献标识码:A文章编号:0253-4177(2001D07-0951-06l引言当前越来越多的MEMS产品正在向实用化~商品化方向发展为了加快产品的开发周期减少研发成本准确的预测产品的性能CAD技术的引入已成为必然.MEMS产品作为一个系统往往涉及到力~热~声~光~电等多个领域这就给系统的辅助设计带来了很大的困难.MEMS的模拟不仅需要不同层次的提取而且要求跨学科的综合;在设计阶段既需要对系统进行自顶向下(TOP-dOwfD的分析与综合又需要对各子系统的行为进行精确的模拟与计算当前使用单一工具很难完成这一任务.随着MEMS市场的不断增长已经有不少公司着手开发出相应的MEMSCAD产品但目前这些软件功能并不完备而且往往只针对一种或几种特定的产品或工艺具有很大的局限性其价格也十分昂贵[1].一种经济可行的方法是综合使用成熟的商用EDA/CAD软件对MEMS系统进行合理的功能划分和参数提取最终完成系统的行为预测和优化设计.电子设计自动化(EDAD软件是对MEMS进行系统级模拟的最佳工具.由于传感器~执行器~信号处理电路~控制和补偿模块以及封装和环境因素都可以等效为相应的电路元件构成的电路模块所以使用EDA工具可以方便地对MEMS系统进行功能划分~调整和补偿同时预测其行为.有限元分析(FEAD则可以模拟MEMS各组成元件的行为提取相应的等效参数.有限元分析能模拟各类静态和动态现象如传感器和应力~应变~微结构的谐振频率~功率谱密度等许多物理参数.使用FEA可以在软件模式下进行设计优化这将真正加快设计的成功率.当前在MEMS的设计领域FEA的应用已十分普遍.将EDA和CAD/FEA软件进行综合对加速度传感器[2]~压力传感器[3]等力学量传感器进行优化设计已经取得了一定的进展但其研究内容多为静态或准静态特性对动态特性则较少涉及.硅基微麦克风作为一种微声学器件从实用角度人们更关心其动态特性.对这一复杂的微结构其解析解并不存在如果直接进行模态分析其计算量和存储量都将是巨大的同时也不易看到各因素对性能的影响难以用于优化设计.为此我们将通用电路模拟软件PSPICE和有限元分析软件ANSS相结合对纹膜结构微麦克风这一声学微系统的动态特性进行了模拟得到了各项参数的优化值优化后的微麦克风在音频范围22)内具有平直的频响这种方法可进一步推广应用于整个MM微系统的设计纹膜结构电容式微麦克风的结构及制作工艺微机械技术在传感器领域已经得到了广泛的应用电容式硅基微麦克风就是一例与传统麦克风相比硅基微麦克风体积小重量轻工艺重复性好抗振性好能批量生产并且易于与I集成具有很好的应用前景引起了各国学者的普遍重视电容式麦克风的工作原理很简单背极板和麦克风振膜共同组成一个平行板电容如图12所示)S如果在背极板和振膜之间加上一定的电压振膜将在声压的作用下产生位移改变两极板之间的电容从而将声音信号转变为电信号图1纹膜结构电容式微麦克风制作工艺的简单流程FI1BriefFabricationprocessofMiniatureMicrophone图1是我所开发的一种纹膜结构电容式微麦克风的制作工艺流程其特点是简单重复性好所用材料也能与I工艺很好的兼容[4]由于它使用单晶硅各向异性腐蚀技术形成纹槽所以纹槽只能是方形的S与使用RI刻蚀出的纹槽相比其几何参数更易控制并且具有更平整的表面和轮廓用上述工艺制作的微麦克风已经获得了较高的灵敏度但其动态特性频率响应)不够理想相应的结构参数仍未完全优化其...