新型硅麦克风的设计与分析_11_15.pdf

图1.1典型的MEMS系统与外部世界相互作用示意图
表1.1列示了不同时期MEMS的发展历程[2]，它充分反映了MEMS技术的发
展是逐年加快的。
表1.1微电子机械系统发展过程
时期重大事件
1939P-N结半导体的制作（Schottky）
1947晶体管的产生（Bardeen）
1958第1个集成电路的流片(Kilby)
1964首个量产的MEMS装置（Nathanson，Wickstrom）
1982硅开始成为机械材料（Petersen）
1984MEMS和IC电路的集成（Howe）
1985LIGA技术的诞生（Ehrfeld）
1988第一个微小电机的制作（Fan等）
21世纪纳米科学和仿生技术的发展
1.2硅麦克风的特点
作为MEMS中重要的器件，硅麦克风很早就进入了实验室。90年代初，德国
就已经制作出了当时最小的麦克风[3]，是用二氧化硅制作，已经达到目前硅麦克风
的大小。
众所周知，麦克风是人们的生活中十分普遍，又相当重要的电子器件。它接
受声音信号，通过电缆或光纤传送到世界各地，是人们远距离交流的必要器件。
所以人们很早就开始了对麦克风的研究。
硅麦克风是指在硅片上，利用微系统工艺（MST）制造，工艺尺寸一般在微
米、毫米之间，能够把声信号转化成电信号完成传感器功能。目前市面上最流行
的就是驻极体麦克风，它的面积已经达到比较小的水平，一般直径在3-5mm。但
是硅麦克风可以做到更小，可以做到直径在1毫米或者1毫米以下。硅麦克风的
优点主要在于如下几个方面：
(1)性能好：硅麦克风在灵敏度上没有降低外，还提高了抗干扰能力，防潮。

2

对温度的要求大大下降，可以实现卷带式包装，承受260℃高温回流焊。
(2)体积小：体积的缩小可以大大减小其对声场的影响，在一些特殊场合，比
方说超静密室里测试微量声波。这是人耳不可能实现的功能。
(3)可集成：在制作工艺上，硅麦克风是和集成电路工艺兼容的，如果把硅麦
克风制作入片上系统（SOC）中，那么麦克风就不单单只是个器件，它可以根据
用户需求完成特定的功能，并且体积不增加。
(4)可批量生产：采用微系统工艺和集成电路工艺制作的硅麦克风是很容易实
现批量生产的，批量生产最直接的作用就是降低成本，同时大量的硅麦克风的应
用就会更为容易。麦克风阵列就成为人们日常所使用的麦克风了。
目前流行的硅麦克风都是采用硅为基片，使用MEMS技术制造的麦克风有多
个种类，如电容式、压电式、压阻式、场效应管式、热线式、光波导式等。近年
来文献都以电容式居多，它是背极板和振膜组成平板电容，声波作用于振膜，将
声信号转变成电信号。背极做在硅基片上，以氮化硅等材料形成振膜，由于材料
和工艺特点，这类硅麦克风具有体积小、性能稳定、抗干扰性强。
1.3本论文的工作重点
本论文的研究是基于自顶向下的设计思想[4]，类比电路的分析得到决定电容式
硅麦克风最主要的参数，通过ANSYS软件分析机械结构，然后利用现有的工艺流
程来实现MEMS的设计。
第1章绪论，介绍MEMS的现状和发展历程和硅麦克风的特点；
第2章硅麦克风的建模，通过类比电路对电容式硅麦克风进行建模，仿真此
类比电路，实现对电容式硅麦克风工作原理的深刻理解，为新型硅麦克风的设计
提供参考；
第3章新型硅麦克风的设计，通过对硅麦克风的振膜力学分析，从理论上对
振膜的工作过程、原理进行证明，最后依据这些原理设计新型硅麦克风；
第4章ANSYS软件介绍和对设计的新型硅麦克风进行仿真，通过ANSYS软
件对电容式硅麦克风的工作过程进行模拟，分析它的机械运动过程，对振膜的振
动和振型进行细致地剖析；
第5章新型硅麦克风的工艺实现，利用现有MEMS工艺流程，分析和设计新
型硅麦克风结构；
第6章新型硅麦克风的测试，通过测试可以得到它是能正常工作的，灵敏度
高，信噪比高。
最后对论文工作的总结，指出不足之处和改进措施，并对以后的工作提出一

些建议和展望。

3

第2章新型硅麦克风的建模

2.1MEMSCAD的介绍
在MEMS领域，由于MEMS的设计相当复杂，它一般牵涉到多个学科，并且
互相交叉，一般的MEMS器件也是种类丰富，所以面对不同学科，不同的耦合效
应，需要一种统一的工具或方法来仿真。有人用SPICE电路仿真软件来尝试，1999
年，IEEE制定了一套IEEE1076.1标准，形成了一种支持模拟混合信号的硬件描述
语言VHDL-AMS[5]，它可用于对MEMS的仿真。
不过它也有着致命的缺点，使用VHDL-AMS语言建模产生的模型是抽象的，
它基于一套复杂而又繁琐的程序，并且时常出现仿真结果不如人意，可问题很难
追根溯源。所以我们提出了一种通用而又形象的模型结构，那就是用电子元件来
对MEMS器件建模。这种设计不是凭空想象