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.pdf

第22卷第7期半导体学报VOl.22 NO.72001年7月CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSJuly 2001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ANS S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(2001D 07-0951-06l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ANS S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 2 2 )内具有平直的频响 这种方法可进一步推广应用于整个M M 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1 2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FI 1BriefFabricationprocessofMiniatureMicrophone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 其设计参数如图2所示 各参数取值范围列于表1中 图2微麦克风设计参数FI 2Design parameters of Miniature Microphone表1微麦克风的设计参数的定义和取值范围Table 1Description and Range of Design parameters设计参数定义取值范围L方纹膜的边长15 pmZ相邻声学孔中心之间的距离6 12 pmha纹膜与背极板之间的距离1 5pmz声学孔底边长度5 2 pmhb背极板厚度5 pm频率带宽是麦克风最重要的性能指标之一 随着麦克风尺寸的缩小 背极板和振膜之间的气隙中的气流将直接影响微麦克风的上限截止频率 为了减小气流阻力 必须在背极板上开大量的声学孔 如图1 2所示 声学孔的存在虽然在一定条件下增大了麦克风的频带 但同时也降低了背极板的刚度 形成所谓 软背极板 影响麦克风的动态特性 所以在设计阶段需要对这一声学微系统的动态特性进行模拟和计算 3模拟和设计3-1微麦克风的动态模型对这一复杂的声学微系统直接进行动态分析 其计算量和存储量都将是巨大的 同时也不易看到259半导体学报22卷各因素对性能的影响9难以用于优化设计O如果将复杂的声学结构简化为由若干宏模型构成的系统9那么系统的自由度将从数百万个降为有限的几个9从而极大地方便了分析和求解 5O在麦克风等电声器件中9声学部分可以用集总参数声学线路(声-电类比)进行描绘O在声学线路中9声压等效为电压9速度等效为电流9声质量等效为电感9声顺等效为电容9声损耗等效为电阻O所有声学系统9严格地讲9都是具有分布参数的系统;但在一定条件下9将某些声学问题按6集总,参数处理9仍然十分准确O将分布参数的问题按集总参数进行处理的条件是9该声学问题所涉及的尺寸必须比声波波长小很多9而微麦克风是符合这种条件的O纹膜微麦克风的等效线路如图3所示 6O图3电容式微麦克风的等效线路FIGO3Lumped-ElementEguivalentCircuit of Miniature Microphone其中0是作用在边长为L的方形膜上的声压O声质量Mr为膜的辐射阻抗(微麦克风辐射声阻Rr极小9可忽略不计)9Cd Md和Cb Mb分别代表膜和背极板的声顺和声质量9Ra Ma为气隙中的气流引起的机械阻抗O上述等效集总参数多数没有精确的解析解9如果要预测系统的行为O必须对相应的微结构进行三维模拟以提取相关参数OMr可近似按平膜进行计算:Mr=2.67L30 nn(1)其中0 是空气密度O膜和背极板的声质量可近似为:Md=0dhdL2Mb=0bhbL2(1-A)(2)其中0d和0b是膜和背极板的密度;A是声学孔等效面积与背极板总面积之比OCd和Cb分别代表膜和背极板的声顺9它们与膜和背极板的灵敏度Sd和Sb成正比:Cd=SdL29Cb=SbL2(3)对于这种复杂的结构9Sd和Sb只能由有限元静力分析求得 7O小尺寸下9可将空气视为不可压缩流体9Ra可以由流体力学有限元分析得出 9Ma h2aRaO计 算 中 其 它 参 数 为:膜 的 杨 氏 模 量=2 GPa9泊松比=.39密度0=25 k/m39初始应力为1 MPa9膜厚为1pm9均为实际工艺参数O电路分析使用的是MicroSim PSpice .9有限元分析使用的是ANSYS5.5O首先使用PSPICE分析各集总参数对系统频率曲线的影响9得出集总元件的合理取值9然后使用ANSYS数值模拟的结果对各项设计参数进行相应的调整9最后对优化后的动态特性进行验证9完成Top-down的设计O3.2系统模拟对于微麦克风9将实际参数代入计算可得到相关声质量声阻及声顺的近似值为:M1-9k 9R1-3N-S/m9C1-4 1-3m/NO粗略地估算9只有当频率f1 6 时9声质量对应的阻抗M 才大于1C 和RO实际的模拟结果也表明9声质量对音频范围内的频响曲线影响很小9声顺C和声阻R是影响微麦克风中低频动态特性的主要因素O为了简化分析9计算时可以不考虑声质量随参数的变化 9OPSPICE模拟结果示于图49其中图4(a)(c)(e)的Y轴为膜的机械灵敏度9单位为dB9 dB=1nm/PaO从图4(a)中可以看出9在低频段9气隙中的气流在振动时受到的摩擦很小9系统灵敏度由膜的 刚 度 决 定9这 段 曲 线 称 为 刚 度/劲 度 控 制(StiffneSS-Control)区O随着振动频率的提高9气隙阻尼逐渐增大9灵敏度随之下降9曲线进入力阻控制区O电容式麦克风工作频带应基本处于刚度控制区内O传统麦克风由于振膜和背极板之间的空气间隙较大(2 pm)9一般很少在背极板上开孔或只开少量孔9背极板也可以做得很厚9可以视作完全刚性O微麦克风由于工艺的原因9背极板不可能做得很厚O同时微麦克风空气间隙极小(1 3pm)9空气阻尼很大O为了减小阻尼9需要在背极板上开大量的声学孔9这也将大大降低背极板的刚度9形成6软背极板,9在中高频产生新的谐振峰9影响系统动态特性O从图4(a)中可以看出9背板刚度越大9Cb越小9谐振峰逐渐向高频转移9对中低频的影响就越小O在图4(b)中9当CbCd/5时9谐振峰大于4 k 9对音频3597期陈兢等:纹膜结构微麦克风的动态特性:使用EDA/CAD工具进行Top-down设计范围内频率响应影响较小.在图1所示的工艺中 RIE刻蚀减薄背极板这一步很难控制 同时 由于KOH腐蚀不均匀 圆片上各器件的膜厚不一致.为了提高成品率 往往需要进行一定的过刻蚀 所以在设计时应取CbCd/10.图4(c)为不同Ra下系统的频响(Cb=0.01Cd 此时由Cd引起的共振峰大于100kHz)从图中可以看出 当Ra较大时 频响曲线呈现过阻尼-3dB截止频率严重下降;当Ra很小(0.0005N-s/m)时 由于欠阻尼 又会在低频段形成共振峰 同样影响系统 的 动 态 特 性.从 图4(d)中 可 以 看 出 当Ra0.002N-s/m时 系 统-3dB截 止 频 率 大 于20kHz;当Ra过小(0.0008N-s/m)时 又会产生欠阻尼 在低频段形成共振峰 由于PSPICE计算-3dB截止频率时是以系统最大值为参考 所以在图上体现为-3dB截止频率反而下降.Ra合适的取值应当在0.0008 0.002N-s/m之间.图4(e)是不同Cd下的频率响应曲线 从图中可以看出 Cd(振膜静态机械灵敏度)是影响系统增益的主要因素 但随着Cd的增加-3dB截止频率也随之下降 所以有必要在灵敏度和频响两项指标之 间 作 出 调 整.从 图4(f)中 可 以 看 出 当Cd0.0067m/N时 系 统 的-3dB截 止 频 率 才 大 于20kHz.Cd一般设计为0.004 0.005m/N之间.图4Cb Ra Cd与系统频率响应的关系(a)不同Cb下的频率响应曲线;(b)第一谐振频率与Cb的关系;(c)不同Ra下的频率响应曲线;(d)-3dB截止频率与Ra的关系;(e)不同Cd下的频率响应曲线;(f)-3dB截止频率与Cd的关系FIG.4Relations Between Freguency Response and Cb Ra Cd Respectively(a)FreguencyResponse versus Cb;(b)Resonance Freguency versus Cb;(c)Freguency Response versus Ra;(d)Cutoff Freguency versus Ra;(e)Freguency Response versus Cd;(f)Cutoff Freguency versus Cd459半导体学报22卷3.3声学集总元件参数设计3.3.1振膜声顺Cd有限元模拟表明,Cd与b hb密切相关,而z对其影响不大.如果要将Cd控制在0.004 0.005m/N范围内,那么相应的纹膜灵敏度应为9 11nm/Pa.从图5可以看出,纹膜的灵敏度在b=80pm时最高,如果b进一步增大,不仅膜的灵敏度会减小,而且牺牲层腐蚀时间增加,会给释放时保护带来困难.hb应在10 25pm之间.图5纹膜灵敏度与b和hb的关系FIG.5SenSitivityofCorrugatedMembrane aS Function of b and hb3.3.2气隙阻尼Ra当相邻声学孔中心之间的距离b一定时,气隙阻尼随声学孔底边长度z增加而减少,随纹膜与背极板之间的距离ha增加而增加.根据流体力学有限元的计算,可以得到如图6所示的结果.当b和ha取值在曲线右上方时,Ra小于0.0015N-S/m;当b和ha的 取 值 在 曲 线 左 下 方 时,Ra取 值 均 大 于0.0015N-S/m.ha的增加会使微麦克风电容量减小,这时杂散电容的影响将加大,从而分散极板上的电荷,降低麦克风的电学灵敏度.而z的增加将减小背板的刚度.综合考虑上述因素,可取ha=2.4pm,z=8pm.图6气隙声阻Ra与ha z之间的关系FIG.6AcouStic ReSiStance of Air GapaS Function of haand z3.3.3背极板声顺Cb当b=80pm,z=8pm时,背板刚度只与背极板厚度hb有关.为了满足CbCd/10,背板必须具有一定的厚度.我们使用ANSYS5.5计算了背极板的机械灵敏度,其中设计变量为厚度hb,状态(约束)变量为灵敏度Sb0.1Sd=1nm/Pa,*=z2+2 zhb+23h2b,目标函数为背极板灵敏度Sb.计算结果表明,当 背 极 板 厚 度h大 于6.5pm时,其 灵 敏 度 小 于1nm/Pa,即为了保证微麦克风的频率特性,背极板厚度需大于6.5pm.hb过厚会对光刻造成不利影响,综合考虑hb对Cc的影响,hb可以取为15pm.使用薄膜淀积法形成的微麦克风背极板,由于淀积薄膜内应力很大而且难以控制,所以很难做得很厚.而如果使用单晶硅衬底形成的微麦克风的背极板,其力学性质均匀稳定,并且没有厚度的限制,所以其频率特性可以比前者好得多.优化后的各项参数和系统截止频率如表2所示,该声学系统在音频范围内具有平直的频响,其-3dB截止频率可达33.4kZ,完全满足设计要求.表2微麦克风各项参数的最优值Table 2OptimiZed DeSign ParameterS of Miniature Microphoneb/pmha/pmz/pmhb/pmCd/(m-N-1)Cb/(m-N-1)Ra/(N-S-m-1)F-3dB/kZ802.48150.00450.0000860.001533.44结论CAD的引入是MEMS技术发展的必然要求.由于MEMS种类繁多,涉及的学科面很广,目前尚无通用的系统级辅助设计工具.一种有效的方法是采用Top down的设计方式;首先使用EDA软件对MEMS进行系统级模拟,再使用其他CAD工具如有限元分析模拟器件/子系统的行为,得到系统的优化参数.5597期陈兢等;纹膜结构微麦克风的动态特性;使用EDA/CAD工具进行Top down设计我们将通用电路模拟软件PSPICE和有限元分析软件ANSYS相结合,使用Top-down的设计方法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,优化后的微麦克风工作于刚度控制区,在音频范围内具有平直的频响.这种方法具有较高的精度和很强的可扩展性.在进一步的研究中,可以方便地将片上集成的前置放大模块以及封装引起的各种效应引入系统,完成整个MEMS产品的设计.致谢中国科学院声学研究所的陶中达老师李晓东老师与作者进行了有意义的讨论,在此表示感谢.参考文献 1 D.J.Nagel,SPIE,Paris,France,March-April 1999,3680:20.2 0.Nagler,M.Trost,B.illerich and F.Kozlowski,Sensorsand Actuators A,1998,66:15.3 A.Gotz,.Krassow,M.Zabala,J.Santander and C.Cane,Journal of Micromechanics and Microengineering,1999,9:109.4 Z0 U Guan-bo,LI Zhi-jian and LIU Li-tian,Chinese Journalof Semiconductors,1996,l7(12):907 913(in Chinese)邹泉波,刘理天,李志坚,半导体学报,1996,l7(12):907 913.5.A.C.Tilmans,JournalofMicromechanicsandMicroengineering,1996,6:157.6 CENJing,LIULi-tianandLI Zhi-jian,Micro-andNanometer Science g Technology,2000,5(1):109 111(inChinese)陈 兢,刘 理 天,李 志 坚,微 米/纳 米 科 学 与 技 术,2000,5(1):109 111.7 J.Berggvist,Sensors and Actuators A,1993,39:191.8 Z.Skvor,Acustica,1967/1968,l9:295.9 C.Thielemann and G.M.Sessler,Acustica,1997,83:715.Dynamic behaviour of miniature microphone with Corrugated membrane:Top-down DeSign with EDA/CADCEN Jing,LIU Li-tian and LI Zhi-jian(,B j 100084,C )AbStract:The optimization of a fabricated miniature microphone is presented by collecting the electrical network simulatorPSPICE and the FEA(Finite Element Analysis)program ANSYS.After the simulation of the dynamic behaviour of miniaturemicrophone with corrugated membrane by using EDA/CAD tools,optimal values of the related parameters are obtained.Theoptimized miniature microphone shows a flat freguency response in the audio freguency.The top-down approach is alsointroduced to analyse the behaviour of the compleX system and the interactions between different components in the designprocess.Key wordS:MEMS;CAD;dynamic behaviour;miniature microphone;corrugated membranceEEACC:1130B;2575;6540Article ID:0253-4177(2001)07-0951-06CEN JingPhD candidate.is major research focuses on the development of solid-state integrated sensors and micro-acoustic devices.LIU Li-tianprofessor.is present research focuses on the development of integrated sensors and MEMS.Received 28 June 2000,revised manuscript received 27 0 ctober 2000Oc2001 The Chinese Institute of Electronics659半导体学报22卷纹膜结构微麦克风的动态特性:使用EDA/CAD工具进行Top-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down设计作者：陈兢，刘理天，李志坚作者单位：清华大学微电子学研究所,刊名：半导体学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTIORS年，卷(期)：2001,22(7)被引用次数：8次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.C Thielemann;G M Sessler 查看详情 19972.Z Skvor 查看详情 19673.J Bergqvist 查看详情 19934.陈兢;刘理天;李志坚 查看详情 2000(01)5.H A C Tilmans 查看详情 1996(06)6.邹泉波;刘理天;李志坚 查看详情期刊论文-半导体学报 1996(12)7.A Gotz;H Krassow;M Zabala;J Santander and C Cane 查看详情 1999(09)8.O Nagler;M Trost;B Hillerich;F Kozlowski 查看详情 19989.D J Nagel 查看详情外文期刊 1999 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.欧胜CMOS-MEMS工艺加速硅麦克风升级期刊论文-电子元器件资讯2008(11)2.数字麦克风将使基于互连网的语音通信更加普及期刊论文-电子产品世界2006(12)3.采用MEMS工艺的表面贴装麦克风有望取代ECM期刊论文-电子设计技术2004,11(5)4.Shawn Beus MEMS麦克风促进声学设计期刊论文-电子产品世界2005(22)5.咸晴.Xian Qing 紫砂艺术的审美和鉴赏期刊论文-景德镇陶瓷2006(2)6.龙恺.万鹏 元代青花瓷梅瓶造型特色与成型工艺期刊论文-景德镇陶瓷2012(1)7.代帆 全球化时代的中国现象-记第五届加中移民/人力资源管理圆桌会议期刊论文-华侨华人历史研究2005(3)8.鹿文喜 谈科学技术在机电管理中的重要性期刊论文-煤矿安全2001,32(5)9.左夏茂.赵立宏.邓骞.王健 硅微麦克风探测模块辐射性能研究期刊论文-机电信息2012(3)10.Todd Borkowski MEMS麦克风可增强音频系统的质量和可靠性期刊论文-电子产品世界2011,18(11)引证文献(8条)引证文献(8条)1.纪新明 MEMS红外光声气体传感系统的研究学位论文博士 20052.吕湘连 面向器件行为的MEMS宏建模方法研究学位论文硕士 20053.霍明学.刘晓为.张铁良.兰慕杰.王东旺 电容式多晶硅微声传感器的模拟与设计期刊论文-压电与声光2004(1)4.李伟剑 微机电系统的多域耦合分析与多学科设计优化学位论文博士 20045.田文超 MEMS及纳米接触研究学位论文博士 20046.何亚宁 通用电容传声器动态特性模型的建立与SPICE仿真期刊论文-电声技术 2003(11)7.宁瑾.刘忠立 电容式微传声器的性能模拟与优化设计期刊论文-半导体学报 2003(8)8.戎华.黄庆安.李伟华 F-I类比方法及MEMS梁的等效电路宏模型期刊论文-半导体学报 2003(5)本文链接：http:/