机电一体化一董健-finalVIP免费

一种电容式硅微机械麦克风的设计与制造董健(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：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，工作稳定最大电压为14，工作时频率带宽至少为，适合在工业界推广应用。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：TP212DesignandFabricationofaCondenserSiliconMicromachinedMicrophoneDONGJian(TheMOEKeyLaboratoryofMechanicalManufactureandAutomation,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)Abstract:Thispaperpresentsthedesignandfabricationofacondensersiliconmicromachinedmicrophone.Micromachinedmicrophoneisfabricatedinasingle-chip.Twoelectrodesofthemicrophoneareformedbyasensingsandwichdiaphragmandaperforatedcopperbackplate.ThesensingsandwichdiaphragmisfabricatedbyLPCVDtechnologyandconsistsofalayerofheavilydopedpolycrystallinesiliconandtwolayersofsiliconnitride.Thechoiceofthethicknessandfabricationprocessparametersofthreelayersofdiaphragmmakesdiaphragmaslighttensile.Thebackplateismadeusingcopperelectroplatingtechnologyandperforatedwithcircularholes.Perforatedcircularholesonbackplateadjustair-gapdampingbetweendiaphragmandbackplatetocriticaldamping.Agapbetweendiaphragmandbackplateisformedbysacrificialtechnology.Measurementresultsshowthattheopen-circuitsensitivitywith9biasvoltageis5.2,thepull-involtageis14,andtheworkingfrequencybandwidthisatleast.Thereby,ithaspromisingprospectinindustrialfield.Keywords：condensersiliconmicromachinedmicrophone;sensingsandwichdiaphragm;copperbackplate.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.HohmandG.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1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。AndrasKovacsandAxelStoffel[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。WJWang,RMLinandDGGao[4]设计的麦克风结构中，将敏感膜设计成深沟盆型式。JingChenandLitianLiu[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...