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1、 2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 1939 P-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） 1984 MEMS 和 IC 电路的集成（Howe） 1985 LIGA 技术的诞生（Ehrfeld）
2、 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，
3、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。3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
4、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
5、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
6、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。 4第第 2 章章 新型硅麦克风的建模新型硅麦克风的建模 2.1 MEMS CAD 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
7、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-AMS5，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出来的， 它是根据 MEMS 器件的工作原理来设计的。 等效电路模型的建立是基于电路系统与机械系统有
8、相似的微积分方程。MEMS 器件工作原理可以用一套微积分方程以及边界条件建模，同样电路系统的R、L、C 电路也可以用相同形式的微积分方程以及边界条件建模，就因为数学模型的一致性，用等效电路模型建立的 MEMS 器件模型是有着科学依据的，具有理论可行性。 对 MEMS 建模，不是只为了得到几个模型和几个参数，我们要对所设计的MEMS 器件进行全面、彻底的分析，为设计一个可靠的，性能优异的 MEMS 器件做准备。通过这种方法设计 MEMS 有几点优点：减少成本，尽量用多种途径对MEMS 的设计进行分析可以减小成品的失败率，减少开发费用。对 MEMS 物理结构的测试固然可以反映实际情况，但一旦设计不
9、合理，重新设计流片的成本是不可小视的，并且制作、测试的周期将会延长，这不仅带来成本的提高，更是开发周期的大幅延长。 因此， MEMS 设计不管采用哪种形式都需要对 MEMS 进行建模， 所以专门的仿真软件模拟系统就成为了各国大学和科研院所思考的问题。国外大学和公司意识到这个问题， 目前已取得不菲的成果， 如美国 Coventor 公司 CoventorWare 软件，法国 MEMSCAP 公司 MEMSCAP 软件， 美国加州大学伯克利分校 SUGAR 软件和ETHZ 的 SOLIDS 软件等。 不同于一般 MEMS 的建模，硅麦克风的建模有着其独特性。硅麦克风是声学器件，硅麦克风不仅要感应声
10、音信号，同时还会影响声音信号，就如同一个笛子，5笛子的振膜不仅会感应人们的声音，笛子不同位置的孔还会产生不同频率的声音，对硅麦克风的建模就成了一个重要的课题。 2.2 声学模型原理 假设一个管子，它的截面积可以变化，当它的各个组成元件的长度远小于所传播声波的半波长（/2=0.17 米，当声波频率为1kHz） ，那么这个管子就像一个滤波电路，管子各个组成元件之间的压强类似节点电压，而管子里流动的总流量就像电路上的总电流。此总流量等于质点的速度u与管子的截面积A的乘积。然而阻碍总流量运动的阻尼，就象征着电阻。 总之，阻抗类比原理就是把声压类比成电压，声流类比成电流，声阻类比成电阻，还有声容类比成电
11、容，声质量类比成电感。其中声压p是指空气压强，声流UA是指空气的体积速度(m3/s)6，是指通过一定截面的空气速度u与截面面积A之积，即 AUuA= (2.1) 相当于单位时间内通过这一截面的空气体积，故称为体积速度。当在20摄氏度环境温度，一个标准大气压下，空气的速度为344 m/s。 2.2.1 声阻 声阻，如图2.1所示，是指声学部分的耗散性损耗，当空气以体积速度UA穿过小孔时，两边的压强差与体积速度UA的关系为： 12AApppR U= (2.2) 这里RA即是声阻，A表示空气体积的截面积。 图 2.1 声阻模型 2.2.2 声容 声容CA，如图2.2所示，反映了空气的可压缩性，假设有
12、一个活塞和一个单边开口的容器V。当活塞受到力作用压缩容器里的空气，如果活塞位移量比容器长度小得多的话，满足公式F=kx，其中x是活塞的位移量，k是指容器里空气的弹性系数（近似约等于(p0A)/(hV)） ，其中p0为大气压强，h为容器长度） ，令CM=1/k 1MFudtC=(2.3) 6其中F=pA，CA=A2CM，则 11AApuAdtUdtCC=(2.4) 此式可以看出声容CA具有电容的性质。 图 2.2 声容模型 2.2.3 声质量 声质量MM，如图2.3所示，反映了空气具有的不可压缩性质，对于一个两端开口，截面积为A，长为h的空心管来说其中空气具有质量MM =0Ah，当空气以速度u
13、=U/A 流过时，相应的压强差p = p1 - p2 =F/A，而 MMduFM aMdt= (2.5) a为不可压缩空气的加速度， 其中MA=MM/A2，MA即为声质量，则 AdUpMdt=(2.6) 此式可以看出声质量MA具有电感的性质。 图 2.3 声感模型 以上给出了声学原理中最为关键的声阻、声容和声质量。然而单单根据这样的原理是不足以建立硅麦克风模型的，还需要分析空气在不同管子里传播特性。一般管子的元件常分为两种：两端通向开口较大的管元件叫颈，两端通向开口较小的管元件叫筒，如图2.4所示，颈中的空气质点是质量控制的，可以这样理解，空气在颈元件里传播就是一个电流经过一个电感，同理筒中的空气质点是劲度控制的，可以理解成，空气在筒元件传播就是一个电流经过一个电容。
