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剖析电容式MEMS麦克风技术设计
 

【作者: 王欽宏,陳振頤,吳嘉昱,李新立,徐煜淳,張平】2009年02月02日 星期一

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引言

麦克风在我们日常生活中的应用广泛,只要是接收声音转换为电讯号的场合都看得到,例如手机、电话、对讲机、耳机、多媒体计算机、录音笔、助听器到目前流行的交互式电子狗、电子恐龙等等,还有识别身分的声纹辨识与卫星导航或是家电人工智能的声控装置等新兴潜力应用,利用半导体加工制作的麦克风与传统麦克风相比具有微型化、省电与多功能的特性,特别适合于助听器或是超薄手机等要求性能以及体积的高阶市场应用,而批量生产的特性被视为取代传统PE膜动圈式麦克风的利基所在,因此吸引以助听器为本业的楼氏(Knowles)积极投入开发更多。目前市面上已有将微型麦克风与电路封装成为单一麦克风之产品,而随着各式影音产品的应用,数组型或是数字麦克风将成为下一波应用重要的需求。


为针对消费性应用市场的未来功能需求与国内技术开发之需要,工研院南分院微系统中心研究开发了整合MEMS传感器结构与放大电路于一体的MEMS麦克风。本文旨在提出工研院南分院微系统中心MEMS麦克风之结构与利用标准IC制程制作,使得麦克风与电路IC可以成为SOC的整合芯片设计,可达到数字及数组化之未来需求目的。


麦克风种类

麦克风是一种将声音能量转换为电能的机构,能将声音转换成电讯号来记录。目前市面上的麦克风大概可分为:


驻电极体式麦克风(Electret Microphone)

此类型麦克风(如图一所示)是由一片很轻的振动膜及驻极电荷的背极板所组成的基本工作原理为声压入射使金属振动板振动时,振动板与电极板会随音波的振动,产生距离上的变化,这种物理变化的现象,为静电容量的变化。因驻极式电容麦克风的静电容量值很小,电器的耗电流量较大,须由场效晶体管(FET)阻抗匹配及讯号放大而获得明显的电压讯号。一个驻极式电容麦克风构成内部零件相当精密,其对外部的杂音很敏感,因此为预防灰尘或异物质的侵蚀及电器杂音,需以紧紧密封且只有音波可进入之圆形金属壳进行组件封装。


《图一 驻电极体式麦克风架构示意图》
《图一 驻电极体式麦克风架构示意图》

电容式麦克风

电容式麦克风(如图二所示)由一个导电的薄板与多孔的背板(back plate)形成电容结构,薄板受声压作用而变形造成电容值改变,前级的读取电路负责将电容变化转换为电压输出,再经由后级放大器将输出讯号提高到所需的强度,实际的麦克风结构如图二所示,薄板两侧的静态压力由一信道相连,因此薄板仅反应动态的压力变化,背腔(back chamber)为封闭空间提供部分的弹性回复力,可用于调整声阻(acoustic impedance)与整体频率响应特性。


电容式麦克风相关尺寸与材料包括:


  • ●固定电极(背板)约20~30um厚,为了降低空气隙的刚性,固定电极上有许多穿孔,通至另一空气室。


  • ●运动电极(振动膜)厚约4~6um,一般使用镍、杜拉铝(Duralumin)或是非金属材料(Myler),以张力固定在外围。



《图二 电容式麦克风示意图》
《图二 电容式麦克风示意图》

动圈式麦克风(Dynamic Microphone)

动圈式麦克风(如图三所示)基本的构造包含线圈、振膜、永久磁铁三部份。当声波进入麦克风,振膜受到声波的压力而产生振动,与振膜连接在一起的线圈则开始在磁场中移动,根据法拉第定(Faradays)律以及冷次(Lenz)定律,线圈会产生感应电流。动圈式麦克风有?优秀的最大?入声压承受能力,在很大的声压下,不容易过?,且其使用之材料如线圈和磁铁,材质坚固,抗潮湿, 故价格较便宜,但体积不易缩小。动圈式麦克风由于振膜链接线圈,负载较重,因此灵敏度较低,高频响应不够,适合用来近距离收录鼓声及人声,用途像是家庭伴唱或是到专业的收音。


《图三 动圈式麦克风示意图》
《图三 动圈式麦克风示意图》

MEMS麦克风原理

麦克风结构

麦克风的功能系将声音转化为电压,利用薄膜结构感测音压产生相对应的变形,再将薄膜变形以电容感测方法读出为电压,实际上人耳对声音的敏感度与频率有关,频率响应呈现山丘状的曲线称为A-weighted function,加权之后的频率响应才是人耳真正感受到的声音表现。


电容式麦克风(如图四所示)由一个导电的薄板与多孔的背板形成电容结构,薄板受声压作用而变形造成电容值改变,前级的读取电路负责将电容变化转换为电压输出,再经由后级放大器将输出讯号提高到所需的强度,实际的麦克风结构如图四所示,薄板两侧的静态压力由一信道相连,因此薄板仅反应动态的压力变化,背腔为封闭空间提供部分的弹性回复力,可用于调整声阻(acoustic impedance)与整体频率响应特性。



《图四 电容式MEMS麦克风结构示意图》
《图四 电容式MEMS麦克风结构示意图》

电气特性

典型的电容式麦克风如图五所示,稳定的电压源Vin透过电阻Rb施加偏压Vb在感测电容Cs,Cp为寄生电容,Cc是个大电容用来阻隔直流电压并取出感测到的交流电压,由于麦克风感测电容约在0.5pF~4pF的等级,交流阻抗相对很大,因此需要配合很大的Rb使麦克风保持在固定电荷的条件下运作,由于声压感测要求高灵敏度,必须尽可能抑制噪声的产生,利用JFET制程制作的场效晶体管具有噪声低的优点,因此单一晶体管的JFET共汲极放大器(common-drain amplifier)常使用在前级放大器(preamplifier)阶段,同时preamplifier也必须肩负阻抗调整的功能,电容式麦克风极大的输出阻抗在此阶段转换为极小的值,确保第二级的运算放大器可以顺利将感测电压放大。


《图五 电容式麦克风的共汲极放大器读取方式》
《图五 电容式麦克风的共汲极放大器读取方式》

机械特性

电容式麦克风包含有空气运动的声学域、薄板运动的机械域与输出电压的电气域的交互影响,同时受到偏压产生的静电力、空气声压、空气阻力、结构弹性力作用,无法找出描述其行为的解析公式,因此在设计上通常以由图六的等效电路模型来简化表示,声学域、机械域与电器域可利用变压器的观念来做转换。


首先在声压p的作用下产生体积流率U,两者的比值定义为声阻,声波首先遇到感测薄膜产生交互作用,转变为薄膜结构的机械域动作,机械域则以力量F与运动速度v定义机械阻抗,变压器的转换率Gm实际为薄膜等效面积,声波薄膜表面的辐射作用可以用阻尼Rr与质量Mr来表示,而薄膜本身的弹性回复力与惯性力可以用柔度Cm与质量Mm表示。


由于薄膜受声压作用而动态变形,推动空气又转变为声学域,空气间隙内存在质量Mg与阻尼Rg,当空气流过声孔时会受到阻尼Rh与质量Mh作用,最后空气流入密闭的背腔,由于空气被压缩的弹性效应而产生一柔度Cbc,将这些影响因子适当地连接起来可以将声阻Za或机械组抗Zm用等效电路表示。


由于音频麦克风属于低频操作,且薄膜尺寸远小于声波长,因此声场辐射的影响轻微,而空气隙与声孔内的弹性力与空气质量在低频时亦可忽略,实际在麦克风设计的最重要考虑因子为Mm、Cm、Rg、Rh与Cbc。由于电容式麦克风系感测电容Cs之变化,薄膜的动态变形决定了电容值,因此必须再由机械域转换到电气域操作,变压器的转换率定义为Ge,其关系可由静态的灵敏度分析求出,而寄生电容Cp在共汲极放大器读取架构下会影响量测输出,因此也必须一并考虑。


《图六 电容式麦克风的等效电路模型》
《图六 电容式麦克风的等效电路模型》

整体特性

灵敏度、频率响应与输入参考噪声为反映麦克风性能之技术指针,典型的电容式麦克风具有5~20mV/Pa之灵敏度,截止频率由1Hz延伸到20kHz的范围,首先将灵敏度S0定义为输出电压与声压之比值(公式1-1),灵敏度可分解为机械灵敏度(Sm)与电性灵敏度(Se)以方便进行设计分工,机械灵敏度定义为薄膜位移与声压的比值,将声学域转换至机械域之等效电路如图七所示,必须注意此处Rr、Mr、Rg、Mg、Rh、Mh与Cbc均已转换至机械域,其数值与原声学域之定义不同,利用机械阻抗(Zm)的表示法如公式1-2所示,电性灵敏度定义为输出电压与薄膜位移的比值,以图五的电路架构来分析,选择极大的直流阻绝电阻Cc可得到公式1-3的关系,在微小变形的操作条件下可简化为线性关系,公式1-4表示系统的灵敏度,当麦克风在低频操作时可得到如公式1-5的关系,其中km为等效弹簧常数系Cm倒数之值,低频运作实际上反应出准静态(quasi static)压力计的特性。


《公式一》
《公式一》
《图七 麦克风的机械域等效电路表示法》
《图七 麦克风的机械域等效电路表示法》

机械噪声主要由气体分子热振动产生,thermal–mechanical noise可以由Nyquist formula加以描述,噪声声压可表示为公式二的关系,其中kB为波兹曼常数(Boltzmann constant),T为绝对温度,空气阻尼Rair主要由Rg与Rh构成,A为薄板面积。


《公式二》
《公式二》

利用声压力转换为电压输出的灵敏度可以整合机械噪声和电路噪声模型,整个系统的输出可以由图八来表示,整体的输出噪声如公式3-1所示,此麦克风可感知的最小声压力如公式3-2所示,其中灵敏度、机械噪声和电路噪声都可以用设计参数来表示,因此我们可以由数学上的极限值计算方法针对最小感测声压做优化设计。


《图八 噪声与系统输出的关系示意图》
《图八 噪声与系统输出的关系示意图》
《公式三》
《公式三》

性能指针

麦克风设计之重要规格包括有感测灵敏度、频率响应、动态范围、谐波失真、噪音位准、温度敏感度、环境压力敏感度、震动敏感度等等,分述如下:


感测灵敏度(sensing sensitivity)

灵敏度定义为输出电压除以声压,单位以Volt/Pa表示,一般以1kHz做为量测的频率,未做电压放大时的微电容式麦克风灵敏度约在5~20 mV/Pa范围。


频率响应(frequency response)

表一表示典型的麦克风频率响应图,可以看出在低频部分感度会下降,而高频部份会依突出之峰值和下降的部份,低频截止频率是由静压力平衡孔所控制,该孔功用是避免大气压力变化时对麦克风产生误动作,因此低频的声压作用也会变得不敏感,定义以0dB感度为基准时-3dB时的频率;高频截止频率是由感测薄膜的共振所决定,其共振频率由薄膜材质、尺寸、残留应力、背腔贡献的劲度所控制,而空气阻尼由薄膜与背板间隙以及背板孔洞所控制,阻尼会影响薄膜共振时在机械放大倍率部份的峰值,使得接近共振频率时的频率响应更为平缓,定义以0dB感度为基准时-2dB时的频率。


《表一 典型的电容式麦克风频率响应图(B&K type 4146)[1]》
《表一 典型的电容式麦克风频率响应图(B&K type 4146)[1]》

谐波失真(harmonic distortion)

谐波失真表示声压与输出电压的非线性关系,产生所谓失真现象,薄膜变形与电容值的变化原本就不是线性关系,唯有在微小变形时可视为线性关系,此外薄膜在大变形时会有所谓应力强化(stress stiffening)效应,亦会造成弹性非线性现象,而使得谐波失真更为明显,以特定声压作用时的失真百分比%表示之。


噪音位准(noise level)

麦克风自身的噪音声压除上基准声压(sound pressure level)20Pa,以A-weighted function加权过的噪音位准以dBA_SPL表示之。


动态范围(dynamic range)

麦克风可感测到的最低与最高音压位准,最低音压位准由噪音位准所决定,而最高音压位准则由谐波失真所决定,通常取3%的谐波失真为上限,动态范围定义为最高与最低音压位准之间的范围,单位以dB表示。


温度敏感度(temperature sensitivity)

温度变化所造成的麦克风电压输出,定义为输出电压与温度差的比值,单位以Volt/℃表示。


环境压力敏感度(ambient sensitivity)

环境压力变化所造成的麦克风电压输出,定义为输出电压与空气压力的比值,单位以Volt/Pa表示。


震动敏感度(vibration sensitivity)

机械震动所造成的麦克风电压输出,定义为输出电压与震动的比值,单位以Volt/(m/sec2)表示。


MEMS麦克风设计

为针对目前消费性应用市场的性能需求,工研院南分院微系统中心利用CMOS制程研究开发了整合MEMS传感器结构与放大电路于一体的MEMS麦克风。此一设计将麦克风结构利用标准IC制程制作,使得麦克风与电路IC可以成为SOC的整合芯片设计,以达到数字及数组化之需求目的。


Ring type圆形之声波感测组件设计

由于制程残留应力对麦克风感应灵敏度影响很大,故须对麦克风结构进行设计使其受制程残留应力影响较小,在此工研院南分院微系统中心以自有专利结构进行麦克风技术开发,以期建立内自有技术。


CMOS制程

麦克风基本设计方式为上下两层圆形薄膜结构,彼此间,因外力产生相对形变,外加偏压而产生电容变化,麦克风就成为一个随外界音压变化的可变电容,吾人可藉由外部电路将声音转换成电讯号,而本设计利用CMOS制程制作麦克风,并且可与电路作整合降低因连接线路产生的噪声干扰,但由于CMOS制程主要设计目的是为了模拟与数字电路,并非专?微系统结构设计,因此Poly薄膜本身会残留一定量的应力,需要利用外部设计的测试键进行量测,进而将量测数值代入解析解或是数值解进行分析与结构设计。


麦克风灵敏度是一般组件采购者最先考虑的性能参数,虽然利用CMOS制程便利性整合电路于组件外围可以利用增益值放大讯号,如果组件本身可以输出较大的讯号可以在后端得到较高的讯杂比。


以公式表示

根据公式4所示,A表示薄膜面积,Vb表示偏压Cs表示电容变化,Cp表示残余电容,km表示结构弹簧常数,σ表示残余应力,d表示两平行电容板间距,可以得知薄膜残余应力σ对于电容式传感器会有减低灵敏度的影响,薄膜上的应力来源主要是薄膜制程在沉积时的环境温度甚高于一般使用温度,因材料彼此间热膨胀系数之不同,就会累积产生张应力或是压应力,要将应力降低可以从制程与结构设计方面着手,制程方面控制沉积与回火的温度与时间可以有效将低应力的产生,但是CMOS制程是标准IC制程,无法做修改,所以此种方式仅能使用在一般的MEMS制程。


《公式四》
《公式四》

Knowles释放应力架构设计

《图九 释放应力后的微悬臂梁微影图》
《图九 释放应力后的微悬臂梁微影图》

无固定边界且悬浮的结构可以达到无残余应力的目标,也就是可以让结构随着温度变化自由伸展将应力减到最低,例如一般微悬臂梁,仅一边是固定在结构上,而另外三面皆脱离上下结构层,如图九所示。而1996年Knowles专利[5] 如图十所示,也利用此原理设计出relaxed麦克风使用悬臂梁让结构三面得以释放应力产生形变,再利用电极板施加偏压向下吸附固定周边;1999年Peter[6]等人延伸此应用设计出大型平板仅固定一边的结构,如图十一所示。之后为了减少制程复杂度,逐渐演变成立体形式的麦克风结构,并且利用正切函数[7]作为边界软化的结构,让应力可以利用此弹簧释放,如图十二所示。因此从这几篇Knowles专利可以看见应力释放对于麦克风结构灵敏度之重要性,10年来演进,均以降低应力影响为主轴并且配合减化制程降低成本为考虑。


《图十 1996年Knowles悬浮结构消除应力之麦克风结构图[2]》
《图十 1996年Knowles悬浮结构消除应力之麦克风结构图[2]》
《图十一 1999年Knowles悬浮结构消除应力之麦克风结构图[3]》
《图十一 1999年Knowles悬浮结构消除应力之麦克风结构图[3]》
《图十二 2006年Knowles利用边界旋转释放应力麦克风结构图[4]》
《图十二 2006年Knowles利用边界旋转释放应力麦克风结构图[4]》

原型薄膜释放应力设计

CMOS制程中可以利用来制作麦克风结构的层有Poly、Metal等,本次设计使用Poly作为薄膜结构层,Metal作为薄膜下电极,主要目的是发展在一个边界固定,且薄膜对制程残留薄膜应力(residual stress)有释放之能力之结构。图十三为工研院南分院微系统中心主要之设计示意图,薄膜周边是固定端,圆型薄膜中有两排孔槽,可以藉由孔槽所形成的交错弹簧来释放制程所产生的应力,如红色箭头表示压应力,可以藉由弹簧分散至周边,蓝色箭头是张应力,也同样的利用弹簧将力量分散,从相关FEM结果可以发现此种设计概念,可同时提升传感器灵敏度且缩小组件面积,在单一晶圆上可制作更多数目的组件,有助于降低成本。


《图十三 应力消除结构示意图》
《图十三 应力消除结构示意图》

图十四为图十三示意图的简化模型,以30度角扇型做为一个单位以加快仿真速度。对模型施加100MPa的张应力,在固定slot角度与长度的情况下,若改变两孔之间的间距spacer,可以发现当间距越大时中央的应力会缓慢上升,如表二,此间距可视为一个弹簧结构,结构粗细除了影响应力释放外,也会影响到结构第一共振频率高低,如表三所示。



《图十四 双slot应力松弛结构仿真图》
《图十四 双slot应力松弛结构仿真图》
《表二 Slot spacer对薄膜中央应力松弛百分比》
《表二 Slot spacer对薄膜中央应力松弛百分比》
《表三 Slot spacer对结构共振频率影响》
《表三 Slot spacer对结构共振频率影响》

与业界成果比较

目前业界Knowles麦克风在未加挂电路所得到的灵敏度约为-42dB,也就是5mv/Pa,在不同的制程条件与设计理念下,工研院利用Ring type交错式孔槽结构设计可达成并超越此一规格,从图十五表示薄膜厚度固定的情况下,改变结构几何设计,产生不同的最大点位移量,对应到它的共振频率会有一个类似反比的关系,因此在理想情况下第一共振频率为20KHz,所得到的最大位移量约为130nm,由此关系我们可以推测要增加薄膜灵敏度需要降低第一共振频率点,除了从最大点位移量来判断结构设计是否达成需求,我们也可以利用ANSYS在固定3V偏压下,外加1Pa的音压可以使薄膜产生形变如图十六所示。


《图十五 麦克风薄膜共振频率与形变量关系图》
《图十五 麦克风薄膜共振频率与形变量关系图》

CMOS-MEMS麦克风结构

图十七显示本设计利用多晶硅作为感测薄膜结构层,牺牲层厚度即是metal与poly之距离,背板结构之anchor部分应使用绝缘材料(如PECVD SiNx)作为结构以降低寄生电容。



《图十六 poly1麦克风示意图》
《图十六 poly1麦克风示意图》

Poly麦克风后制程

CMOS麦克风制程之制程步骤见图十八所示,首先将晶圆厂产出之芯片以电感耦合电浆(ICP)进行垂直式的硅基材深蚀刻,最后以BOE或是Silox等湿式蚀刻去除IMD-ox牺牲层完成麦克风制作,如图十八、图十九所示。



《图十七 CMOS MIC制程流程示意图:(a)标准集成电路芯片;(b)RIE蚀刻出背板结构;(c)HF蚀刻去除SiO2牺牲层》
《图十七 CMOS MIC制程流程示意图:(a)标准集成电路芯片;(b)RIE蚀刻出背板结构;(c)HF蚀刻去除SiO2牺牲层》
《图十八 CMOS MIC上视图》
《图十八 CMOS MIC上视图》

量测结果与讨论

工研院微系统中心利用CMOS MEMS制程完成组件制作,在麦克风组件切割与封装前,利用自行开发之晶圆级的电压–电容(C-V)特性量测技术对麦克风进行作动特性确认,以确定POST CMOS后制程可将麦克风结构释放。图二十为工研院微系统中心自行开发之麦克风晶圆级检测系统与利用Knowles麦克风进行电容C-V特性量测结果,藉由此一技术可以协助国内代工厂与封装厂进行组件Known Bad Die检测。



《图十九 麦克风晶圆级检测系统与麦克风电容C-V特性量测结果示意图》
《图十九 麦克风晶圆级检测系统与麦克风电容C-V特性量测结果示意图》

工研院微系统中心以Ring type之应力释放设计克服制程残留应力影响,除此之外,为提升组件技术竞争力,麦克风在设计上以3V偏压驱动作为组件驱动电压设计之想法,以减少升压电路所占之电路面积提升组件市场竞争力。表四所示工研院微系统中心之麦克风在5V偏压驱动下之电容值变化值。以工研院设计实现之传感器配合市售LMV1012在驱动电压2V下所量取之讯号如图二十一所示,传感器之频响在1KHz可达-58dB,此一性能表现能满足现有消费产品之需求


《表四 CMOS微麦克风电容变化表》
《表四 CMOS微麦克风电容变化表》

《图二十 麦克风模块特性量测结果》
《图二十 麦克风模块特性量测结果》

此外,工研院微系统中心亦申请麦克风超薄型封装结构之专利,以避开国际竞争厂商之专利封锁。藉此一组件设计与封装专利将可使国内产业技术深根。


结论

此外,工研院微系统中心亦申请麦克风超薄型封装结构之专利,以避开国际竞争厂商之专利封锁。藉此一组件设计与封装专利将可使国内产业技术深根。本文介绍了由工研院南分院微系统科技中心所设计开发完成之电容式微机电麦克风,此MEMS麦克风以Ring type之应力释放设计可克服制程残留应力影响,此外,为提升组件技术竞争力,工研院南分院微系统科技中心之麦克风在5V偏压驱动下之电容值变化值,可以减少升压电路所占之电路面积,提升组件市场竞争力。


以工研院设计实现之传感器配合市售LMV1012在驱动电压2V下,传感器之频响在1KHz可达-58dB,此一性能表现使工研院之MEMS麦克风能满足现有消费产品之需求。为建立台湾封测技术,工研院南分院微系统科技中心也开发Known Bad Die晶圆级C-V检测技术与麦克风超薄型封装结构,进一步协助台湾麦克风产业。


(本文作者均任职于工研院南分院微系统科技中心)


(作者瞿万邦、苏文建、陈仕杰均任职于工研院系统芯片科技中心;苏庆龙任职于云林科技大学)


(本文作者均任职于工研院南分院微系统科技中心)


[1] George S. K. Wong, Tony F. W. Embleton, “AIP Handbook of Condenser Microphones, Theory, Calibration, and Measurements,” AIP Press, New York, 1995


[2] D.R. Sparks, S. R. Zarabadi, J. D. Johnson, Q. Jiang, M. Chia, O. Larson, W. Hidgon, P. Castillo-Borelley, “A CMOS integrated surface micromachined angular rate sensor,” Dig. Tech. Papers Transducers ’97, 1997, pp. 851-854.


[3] F. Mayer, Thermal CMOS Anemomenter, Ph.D. Thesis, No. 12741, ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 1998.


[4] N. Schneeberger, CMOS Microsystems for Thermal Presence Detection, Ph.D. Thesis, No. 12675, ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 1998.


[5] US5490220 : Feb.06,1996,”Solid state condenser and microphone devices” Inventors – Peter V. Loeppert, Hoffman Estates.


[6] US5870482 :Feb.09, 1999,”Miniature silicon condenser microphone” Invertors- Peter V. Loeppert, Hoffman Estates, David E, G. Ellyn.


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