Рис. 1. Микрофотография 1х1мм2
дифференциального микрофона
Микрофоны широко используются в
голосовой связи, слуховых аппаратах, приборах
разведки, для контроля шума и вибраций. Ведутся
интенсивные исследования по изготовлению
микрофонов на кремниевых подложках с
использованием стандартных технологических
процессов, позволяющих снизить стоимость
устройств при повышенной чувствительности и
низком уровне шумов, а также интегрировать на том
же чипе миниатюрные ВЧ антенны и фильтры [1].
Сотрудники фирмы Microtronic A/S (Дания)
разработали конденсаторный микрофон с двумя
симметричными относительно мембраны обкладками
[2]. Этот принцип дает удвоение сигнала просто за
счет работы двух обкладок вместо одной, а кроме
того поле смещения может быть на 30% выше, так как
электростатическая сила действует на мембрану с
двух сторон и держит ее в нулевом положении.
Преимущества также - в большей
чувствительности, широком линейном динамическом
диапазоне и полосе частот.
Пробный набор мембран с разным числом
слоев и знаком внутренних напряжений позволил
выбрать оптимальную комбинацию с суммарными
напряжениями ~45МПа, состоящую из 0.4мкм поли-Si:B++
и двух слоев Si3N4 с полной
толщиной 900?.
Рис.2. СЭМ изображение вертикальных отверстий в
мемебране
Представлен технологический маршрут
обработки пластин при формировании микрофонов с
размерами мембран 2х2 и 1х1мм2 . Для
уменьшения паразитной емкости мембрана
подвешивается на мостиках, по 8шт. на каждой
стороне (рис.1). Фрагмент микрофона показан на
(рис.2). Оценка работоспособности микрофонов
проводилась прямо на пластине с помощью зондов
со встроенным малошумящим буферным усилителем.
Полная чувствительность микрофона 2х2мм2
при питании 1.5В и 1кГц составила 13мВ/Па и полоса в
3дБ сохранялась до20кГц (рис.3). Измерения
проведены отдельно для каждой обкладки, и, как
видно на рис.3, нижняя обкладка дает вдвое меньший
вклад в сравнении с верхней из-за различия
паразитных емкостей, не работающих на полезный
сигнал (63% и 17%). Получено также хорошее совпадение
с моделированием. В шумовом спектре (рис.3) при
низких частотах наблюдали акустические шумы из
окружения и до нескольких кГц - наложение пиков
высшего порядка от 50Гц сигнала. В диапазоне 20Гц -
20кГц получен акустический эквивалент входного
шума 22.5дБ. Динамический диапазон микрофонов на
10дБ превышает обычный для такой техники предел
108дБ. Полное гармоническое искажение сигнала не
превышает 0.3 и 1.6%, соответственно для звукового
давления 80 и 100дБ.
Рис. 3. Спектральный шум в 2х2мм2
дифференциальном микрофоне. Измерение и
моделирование
Очевидно, что размещение микрофона в
соразмерном корпусе ~ 3.4мм3 обеспечит
акустический эквивалент входного шума на уровне
23дБ при более широком динамическом диапазоне.
- Microelectronics J., 2002, 33, pp. 21-28
- Sensors and Actuators, 2002, A95, pp. 196-201
ПЕРСТ
