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硅基MEMS电容式麦克风性能优化设计研究

硅基MEMS电容式麦克风性能优化设计研究

作者：胡磊西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,消费电子、物联网设备等领域的发展促进了对高性能微型麦克风的需求。MEMS电容式麦克风在非常规环境条件下具有的高稳定性,以及在更小尺寸下拥有的优异电声性能,使得它们在很大程度上取代了传统的ECM,在消费市场的占有率也变得... 详细信息

近年来,消费电子、物联网设备等领域的发展促进了对高性能微型麦克风的需求。MEMS电容式麦克风在非常规环境条件下具有的高稳定性,以及在更小尺寸下拥有的优异电声性能,使得它们在很大程度上取代了传统的ECM,在消费市场的占有率也变得越来越高。目前对于MEMS电容式麦克风技术的研究主要集中在对其声学性能的优化提升上,主要包括麦克风结构的设计优化和新型材料的探索等。本文主要针对提升MEMS电容式麦克风性能的设计优化从理论和实验两方面展开研究:从理论上分析了影响MEMS电容式麦克风灵敏度性能的因素,主要是膜片顺应性以及偏置电压。首先利用Comsol对不同结构参数的膜片顺应性进行了仿真分析,结果表明可以通过增加振膜有效面积、减小振膜厚度、减小振膜残余应力以及采用波纹膜结构的方式来提高麦克风膜片顺应性,从而提升麦克风灵敏度。然后利用Comsol对MEMS电容式麦克风的吸合电压进行了建模仿真分析,仿真结果表明,可以通过增加振膜厚度、增大振膜残余应力、增大空气间隙距离和减小背板有效面积的方式提高麦克风的吸合电压,这有利于提高麦克风偏置电压,进而提高其灵敏度性能。此外,通过建立MEMS电容式麦克风的等效电路模型,分析了不同结构参数对于麦克风频率响应的影响,进一步验证了对膜片顺应性的仿真结果。在实验方面,基于国内MEMS工艺平台,流片制造了两种芯片尺寸分别为0.9mm×0.9 mm和1.1 mm×1.1 mm的MEMS电容式麦克风,并对其进行了电学和声学性能测试。基本声学测试结果表明,所设计的两款麦克风分别可以达到62.4 d B和64.3d B的信噪比,性能达到业界主流水平。基于两种麦克风的基础结构,通过控制变量改变不同的设计参数,并进行电学C-V特性测试,测试结果与仿真结果趋势一致。通过分析不同麦克风结构设计参数对应的声学性能测试数据,可以得出减小振膜厚度和采用波纹膜结构是显著提升麦克风灵敏度和信噪比的有效方式。最后对麦克风样品进行了可靠性测试,测试前后麦克风灵敏度差异均不超过1 d B,表明所测试样品具有良好的可靠性。少量样品在进行跌落可靠性测试后出现了失效的情况,通过CMP工艺优化和振膜泄气狭缝设计优化解决了因应力集中导致的失效问题,后续实验表明优化方案具有较好的改善效果。本文从理论和实验两方面对不同设计参数对于MEMS电容式麦克风性能的影响做了较为详细的研究,可以为MEMS电容式麦克风技术的发展和工程中的实际问题提供一定的理论基础和工程经验。

关键词：微机电系统电容式麦克风建模有限元仿真灵敏度信噪比可靠性

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微机械电容式麦克风的仿真研究

机电工程 2017年第1期34卷 83-87页

作者：董健龙芝剑孙笠金焱立浙江工业大学浙江省特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室浙江杭州310014

针对麦克风产品开发成本过高问题,对麦克风的制造工艺进行了研究,提出了一种用仿真代替实验的方法,利用Intelli Suite软件中的Blueprint设计麦克风制作过程中所使用的掩膜版图,再利用Intelli Suite软件中Intelli Fab模块对器件进行了微... 详细信息

针对麦克风产品开发成本过高问题,对麦克风的制造工艺进行了研究,提出了一种用仿真代替实验的方法,利用Intelli Suite软件中的Blueprint设计麦克风制作过程中所使用的掩膜版图,再利用Intelli Suite软件中Intelli Fab模块对器件进行了微电容式麦克风的工艺流程仿真,仿真出麦克风器件,再利用Intelli Suite软件中的3D BUILDER,TEM两个子模块,仿真得到了微机械电容式麦克风的灵敏度、吸合电压以及固有频率等参数,该仿真过程得到的相关参数能够为微机械电容式麦克风性能的佐证提供参考,并指导学者对微电容式麦克风产品的开发与设计过程。分析结果表明,此过程能够代替实际的开发的制造过程,达到节约产品开发成本的目的。

关键词：电容式麦克风灵敏度吸合电压固有频率敏感膜

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低噪声电容式MEMS麦克风研究与设计

低噪声电容式MEMS麦克风研究与设计

作者：刘家斐西安电子科技大学

学位级别：硕士

MEMS(Micro Electro Mechanical System)麦克风作为人机交互接口的赋能者,在人工智能和万物互联时代需求增长更为迅猛,在助听器、移动电子和自动驾驶等领域已展露锋芒。国外在MEMS麦克风领域布局已久,国内研究虽仍有差距,但“十四五”... 详细信息

MEMS(Micro Electro Mechanical System)麦克风作为人机交互接口的赋能者,在人工智能和万物互联时代需求增长更为迅猛,在助听器、移动电子和自动驾驶等领域已展露锋芒。国外在MEMS麦克风领域布局已久,国内研究虽仍有差距,但“十四五”规划已重点在传感器领域展开布局。因此,开展MEMS麦克风的研究与设计对于提高智能系统具有实际意义和战略价值。国外研究集中在基于新原理、新材料、新结构的高性能麦克风,电容式MEMS麦克风相对其他结构具有更平坦的响应,更优异的性能。然而,传统电容式MEMS麦克风在小尺寸低功耗情况下,存在着灵敏度、信噪比等性能指标较低的技术瓶颈,无法满足快速发展的实际应用需求。为了解决上述MEMS麦克风存在的问题,本文开展了低噪声电容式MEMS麦克风研究与设计。针对传统单背板电容式MEMS麦克风以及本文提出的双轮廓背板结合边缘孔振膜的麦克风结构,剖析了不同结构对器件特性影响机理,开展了特性分析与性能表征研究,得到具有实用价值的研究结果和规律。论文主要工作和研究结果如下:采用多物理场耦合仿真软件构建了单背板电容式麦克风模型,仿真研究了振膜形状、气隙高度、声学孔分布和残余应力对麦克风特性的影响,分析了麦克风工作机制。研究结果表明,多晶硅振膜厚度越薄、半径越大,麦克风机械灵敏度越高。属性相同的圆形振膜较方形振膜机械灵敏度更高,受力分布更均匀。当麦克风气隙内压膜阻尼释放时,灵敏度随气隙减小而提高,噪声随气隙减小而增大。声孔能降低器件阻尼噪声,提高器件灵敏度,背板声孔能增大平坦的频响区间,振膜和背板都有声孔时器件具备较高性能指标。较大振膜残余应力将导致麦克风灵敏度和噪声的降低,随着振膜半径增大,应力对灵敏度下降的影响将得到减缓。在此基础上,构建了双平行背板麦克风的有限元分析模型,仿真结果表明,双平行背板麦克风有限元模型仿真结果(灵敏度-70.3d BV、带宽200Hz～20k Hz)与实际器件(灵敏度-70.99d BV、带宽300Hz～20k Hz)性能接近,性能优于结构参数相同的单背板麦克风。研究了双平行背板轮廓化对器件特性的影响,提出了一种双轮廓背板结合边缘孔振膜麦克风结构,开展了器件结构与特性的相关性研究。仿真结果表明,背板轮廓化能够有效地提高麦克风性能指标。本文提出的双轮廓背板结合边缘声孔振膜麦克风在6V偏置电压下灵敏度为-37.2d BV,平坦频响区间为20Hz～25.4k Hz,拥有高于120d B SPL的最大声压级和26V吸合电压,且具有较低噪声等较好性能指标。

关键词：微机电系统电容式麦克风单背板双轮廓背板灵敏度

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声学温度计中声学传感器的对比研究

仪表技术与传感器 2015年第4期 1-3页

作者：高结冯晓娟林鸿李晓苇张金涛河北大学物理学院河北保定071002 中国计量科学研究院热工计量科学研究所北京100013

声学传感器的研究对提高声学共鸣法测量Boltzmann常数kB的精度以及高温区热力学温度的测量都十分重要。借助声学共鸣法,文中研究了压电陶瓷与电容式麦克风的响应特性。结果表明,在相同条件下,麦克风测量信噪比和频率随机偏差δfN/fN都... 详细信息

声学传感器的研究对提高声学共鸣法测量Boltzmann常数kB的精度以及高温区热力学温度的测量都十分重要。借助声学共鸣法,文中研究了压电陶瓷与电容式麦克风的响应特性。结果表明,在相同条件下,麦克风测量信噪比和频率随机偏差δfN/fN都明显优于压电陶瓷,验证了麦克风的高灵敏性;另外,两种传感器测量的半宽值的Δg/f均远小于1×10-6,为后续高温区热力学温度测量和减小kB不确定度奠定了基础。

关键词：声学共鸣法声学传感器压电陶瓷电容式麦克风

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浅谈Neumann U87麦克风

数字传媒研究 2024年第2期41卷 36-38页

作者：莎茹拉内蒙古广播电视台内蒙古呼和浩特市010050

U87麦克风是一款由德国公司Neumann推出的高品质电容式麦克风,在广电系统应用广泛,本文对U87麦克风的电路结构、工作原理、各项功能进行了全方位的介绍,并结合各种应用场景加以说明,为广电系统音频工作从业者提供参考。

关键词：电容式麦克风指向性灵敏度噪声