紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風的動態(tài)特性_使用EDA_CAD工具進行Top-down設(shè)計.pdf

第22卷第7期半導體學報 VOl 22 NO 7 2001年7月CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSJuly 2001 陳兢男 博士研究生 主要研究領(lǐng)域為固體集成傳感器和微聲學器件 劉理天男 教授 主要研究領(lǐng)域為集成傳感器和MEMS 2000 06 28收到 2000 10 27定稿O c2001中國電子學會 紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風的動態(tài)特性 使用 EDA CAD 工具 進行 Top down 設(shè)計 陳兢劉理天李志堅 清華大學微電子學研究所 北京 100084D 摘要 綜合使用通用電路模擬軟件PSPICE和有限元分析軟件ANS S對一種硅基微麥克風進行了系統(tǒng)模擬 得 到了各項參數(shù)的優(yōu)化值 優(yōu)化后的微麥克風在音頻范圍內(nèi)具有平直的響應(yīng) 在此基礎(chǔ)上 提出了一種TOP dOwf的 優(yōu)化設(shè)計方式以準確預測系統(tǒng)的行為 分析了各組件的相互作用及其對系統(tǒng)性能的影響 關(guān)鍵詞 MEMS CAD 動態(tài)特性 微麥克風 紋膜 EEACC 1130B 2575 6540 中圖分類號 O421 4 TN402 TN641文獻標識碼 A文章編號 0253 4177 2001D 07 0951 06 l 引言 當前 越來越多的MEMS產(chǎn)品正在向?qū)嵱没?商品化方向發(fā)展 為了加快產(chǎn)品的開發(fā)周期 減少研 發(fā)成本 準確的預測產(chǎn)品的性能 CAD技術(shù)的引入 已成為必然 MEMS產(chǎn)品作為一個系統(tǒng) 往往涉及 到力 熱 聲 光 電等多個領(lǐng)域 這就給系統(tǒng)的輔助 設(shè)計帶來了很大的困難 MEMS的模擬不僅需要不 同層次的提取 而且要求跨學科的綜合 在設(shè)計階段 既需要對系統(tǒng)進行自頂向下 TOP dOwfD的分析與 綜合 又需要對各子系統(tǒng)的行為進行精確的模擬與 計算 當前使用單一工具很難完成這一任務(wù) 隨著 MEMS市場的不斷增長 已經(jīng)有不少公 司著手開發(fā)出相應(yīng)的 MEMSCAD產(chǎn)品 但目前這 些軟件功能并不完備 而且往往只針對一種或幾種 特定的產(chǎn)品或工藝 具有很大的局限性 其價格也十 分昂貴 1 一種經(jīng)濟可行的方法是綜合使用成熟的 商用EDA CAD軟件對MEMS系統(tǒng)進行合理的功 能劃分和參數(shù)提取 最終完成系統(tǒng)的行為預測和優(yōu) 化設(shè)計 電子設(shè)計自動化 EDAD軟件是對MEMS進行 系統(tǒng)級模擬的最佳工具 由于傳感器 執(zhí)行器 信號 處理電路 控制和補償模塊以及封裝和環(huán)境因素都 可以等效為相應(yīng)的電路元件構(gòu)成的電路模塊 所以 使用EDA工具可以方便地對 MEMS系統(tǒng)進行功 能劃分 調(diào)整和補償 同時預測其行為 有限元分析 FEAD則可以模擬MEMS各組成 元件的行為 提取相應(yīng)的等效參數(shù) 有限元分析能模 擬各類靜態(tài)和動態(tài)現(xiàn)象如傳感器和應(yīng)力 應(yīng)變 微結(jié) 構(gòu)的諧振頻率 功率譜密度等許多物理參數(shù) 使用 FEA 可以在軟件模式下進行設(shè)計優(yōu)化 這將真正 加快設(shè)計的成功率 當前 在 MEMS的設(shè)計領(lǐng)域 FEA的應(yīng)用已十分普遍 將 EDA 和 CAD FEA 軟件進行綜合 對加速 度傳感器 2 壓力傳感器 3 等力學量傳感器進行優(yōu) 化設(shè)計 已經(jīng)取得了一定的進展 但其研究內(nèi)容多為 靜態(tài)或準靜態(tài)特性 對動態(tài)特性則較少涉及 硅基微 麥克風作為一種微聲學器件 從實用角度人們更關(guān) 心其動態(tài)特性 對這一復雜的微結(jié)構(gòu) 其解析解并不 存在 如果直接進行模態(tài)分析 其計算量和存儲量都 將是巨大的 同時也不易看到各因素對性能的影響 難以用于優(yōu)化設(shè)計 為此 我們將通用電路模擬軟件 PSPICE 和有限元分析軟件 ANS S相結(jié)合 對紋 膜結(jié)構(gòu)微麥克風這一聲學微系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了 模擬 得到了各項參數(shù)的優(yōu)化值 優(yōu)化后的微麥克風 在音頻范圍 2 2 內(nèi)具有平直的頻響 這 種方法可進一步推廣應(yīng)用于整個M M 微系統(tǒng)的 設(shè)計 紋膜結(jié)構(gòu)電容式微麥克風的結(jié)構(gòu)及 制作工藝 微機械技術(shù)在傳感器領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng) 用 電容式硅基微麥克風就是一例 與傳統(tǒng)麥克風相 比 硅基微麥克風體積小 重量輕 工藝重復性好 抗 振性好 能批量生產(chǎn) 并且易于與I 集成 具有很好 的應(yīng)用前景 引起了各國學者的普遍重視 電容式麥克風的工作原理很簡單 背極板和麥 克 風振膜共同組成一個平行板電容 如圖1 2所 示 S如果在背極板和振膜之間加上一定的電壓 振 膜將在聲壓的作用下產(chǎn)生位移 改變兩極板之間的 電容 從而將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?圖1紋膜結(jié)構(gòu)電容式微麥克風制作工藝的簡單流程 FI 1Brief FabricationprocessofMiniature Microphone 圖1是我所開發(fā)的一種紋膜結(jié)構(gòu)電容式微麥克 風的制作工藝流程 其特點是簡單 重復性好 所用 材料也能與I 工藝很好的兼容 4 由于它使用單晶 硅各向異性腐蝕技術(shù)形成紋槽 所以紋槽只能是方 形的S與使用RI 刻蝕出的紋槽相比 其幾何參數(shù) 更易控制 并且具有更平整的表面和輪廓 用上述工 藝制作的微麥克風已經(jīng)獲得了較高的靈敏度 但其 動態(tài)特性 頻率響應(yīng) 不夠理想 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍 未完全優(yōu)化 其設(shè)計參數(shù)如圖2所示 各參數(shù)取值范 圍列于表1中 圖2微麥克風設(shè)計參數(shù) FI 2Design parameters of Miniature Microphone 表1微麥克風的設(shè)計參數(shù)的定義和取值范圍 Table 1Description and Range of Design parameters 設(shè)計參數(shù)定義取值范圍 L 方紋膜的邊長 15 pm Z 相鄰聲學孔中心之間的距離 6 12 pm ha 紋膜與背極板之間的距離 1 5pm z 聲學孔底邊長度 5 2 pm hb 背極板厚度 5 pm 頻率帶寬是麥克風最重要的性能指標之一 隨 著麥克風尺寸的縮小 背極板和振膜之間的氣隙中 的氣流將直接影響微麥克風的上限截止頻率 為了 減小氣流阻力 必須在背極板上開大量的聲學孔 如 圖1 2所示 聲學孔的存在雖然在一定條件下增大 了麥克風的頻帶 但同時也降低了背極板的剛度 形 成所謂 軟背極板 影響麥克風的動態(tài)特性 所以在 設(shè)計階段需要對這一聲學微系統(tǒng)的動態(tài)特性進行模 擬和計算 3 模擬和設(shè)計 3 1 微麥克風的動態(tài)模型 對這一復雜的聲學微系統(tǒng)直接進行動態(tài)分析 其計算量和存儲量都將是巨大的 同時也不易看到 259 半導體學報 22卷 各因素對性能的影響9難以用于優(yōu)化設(shè)計O如果將復 雜的聲學結(jié)構(gòu)簡化為由若干宏模型構(gòu)成的系統(tǒng)9那 么系統(tǒng)的自由度將從數(shù)百萬個降為有限的幾個9從 而極大地方便了分析和求解 5 O 在麥克風等電聲器件中9聲學部分可以用集總 參數(shù)聲學線路 聲 電類比 進行描繪O在聲學線路 中9聲壓等效為電壓9速度等效為電流9聲質(zhì)量等效 為電感9聲順等效為電容9聲損耗等效為電阻O 所有聲學系統(tǒng)9嚴格地講9都是具有分布參數(shù)的 系統(tǒng) 但在一定條件下9將某些聲學問題按6集總 參 數(shù)處理9仍然十分準確O將分布參數(shù)的問題按集總參 數(shù)進行處理的條件是9該聲學問題所涉及的尺寸必 須比聲波波長小很多9而微麥克風是符合這種條件 的O 紋膜微麥克風的等效線路如圖3所示 6 O 圖3電容式微麥克風的等效線路 FIGO3 Lumped ElementEguivalent Circuit of Miniature Microphone 其中0是作用在邊長為L的方形膜上的聲壓O聲質(zhì) 量Mr為膜的輻射阻抗 微麥克風輻射聲阻 Rr 極 小9可忽略不計 9Cd Md和Cb Mb分別代表膜和背 極板的聲順和聲質(zhì)量 9R a Ma 為氣隙中的氣流引起 的機械阻抗O上述等效集總參數(shù)多數(shù)沒有精確的解 析解9如果要預測系統(tǒng)的行為O必須對相應(yīng)的微結(jié)構(gòu) 進行三維模擬以提取相關(guān)參數(shù)O Mr可近似按平膜進行計算 Mr 2 67L30 nn 1 其中 0 是空氣密度O 膜和背極板的聲質(zhì)量可近似為 Md 0dhdL 2 Mb 0bhbL 2 1 A 2 其中 0d 和 0b 是膜和背極板的密度 A是聲學孔等 效面積與背極板總面積之比O Cd 和Cb分別代表膜和背極板的聲順9它們與 膜和背極板的靈敏度Sd和Sb成正比 Cd Sd L29 Cb Sb L2 3 對于這種復雜的結(jié)構(gòu)9Sd和Sb只能由有限元 靜力分析求得 7 O 小尺寸下9可將空氣視為不可壓縮流體9Ra可 以由流體力學有限元分析得出 9Ma h2 aRaO 計 算 中 其 它 參 數(shù) 為 膜 的 楊 氏 模 量 2 GPa9泊松比 39密度0 25 k m39初始 應(yīng)力為1 MPa9膜厚為1pm9均為實際工藝參數(shù)O 電路分析使用的是MicroSim PSpice 9有限 元分析使用的是ANSYS5 5O 首先使用PSPICE分析各集總參數(shù)對系統(tǒng)頻率 曲線的影響9得出集總元件的合理取值9然后使用 ANSYS數(shù)值模擬的結(jié)果對各項設(shè)計參數(shù)進行相應(yīng) 的調(diào)整9最后對優(yōu)化后的動態(tài)特性進行驗證9完成 Top down的設(shè)計O 3 2 系統(tǒng)模擬 對于微麥克風9將實際參數(shù)代入計算可得到相 關(guān)聲質(zhì)量 聲阻及聲順的近似值為 M 1 9k 9R 1 3 N S m9C 1 4 1 3m NO 粗略地估算9 只有當頻率f 1 6 時9聲質(zhì)量對應(yīng)的阻抗 M 才 大于 1 C 和 RO 實際的模擬結(jié)果也表明9聲質(zhì)量對音 頻范圍內(nèi)的頻響曲線影響很小9聲順C和聲阻R是 影響微麥克風中低頻動態(tài)特性的主要因素O為了簡 化分析9計算時可以不考慮聲質(zhì)量隨參數(shù)的變化 9 O PSPICE 模擬結(jié)果示于圖49其中圖4 a c e 的Y軸為膜的機械靈敏度9單位為dB9 dB 1nm PaO從圖4 a 中可以看出9在低頻段9氣隙中 的氣流在振動時受到的摩擦很小9系統(tǒng)靈敏度由膜 的 剛 度 決 定9這 段 曲 線 稱 為 剛 度 勁 度 控 制 StiffneSS Control 區(qū)O隨著振動頻率的提高9氣隙 阻尼逐漸增大9靈敏度隨之下降9曲線進入力阻控制 區(qū)O電容式麥克風工作頻帶應(yīng)基本處于剛度控制區(qū) 內(nèi)O 傳統(tǒng)麥克風由于振膜和背極板之間的空氣間隙 較大 2 pm 9一般很少在背極板上開孔或只開少 量孔9背極板也可以做得很厚9可以視作完全剛性O(shè) 微麥克風由于工藝的原因9背極板不可能做得很厚O 同時微麥克風空氣間隙極小 1 3pm 9空氣阻尼很 大O為了減小阻尼9需要在背極板上開大量的聲學 孔9這也將大大降低背極板的剛度9形成6軟背極 板 9在中高頻產(chǎn)生新的諧振峰9影響系統(tǒng)動態(tài)特性O(shè) 從圖4 a 中可以看出9背板剛度越大 9C b 越小9諧振 峰逐漸向高頻轉(zhuǎn)移9對中低頻的影響就越小O在圖4 b 中9當Cb Cd 5時9諧振峰大于4 k 9對音頻 3597期 陳兢等 紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風的動態(tài)特性 使用EDA CAD工具進行Top down設(shè)計 范圍內(nèi)頻率響應(yīng)影響較小 在圖1所示的工藝中 RIE 刻蝕減薄背極板這一步很難控制 同時 由于 KOH腐蝕不均勻 圓片上各器件的膜厚不一致 為 了提高成品率 往往需要進行一定的過刻蝕 所以在 設(shè)計時應(yīng)取Cb Cd 10 圖4 c 為不同Ra下系統(tǒng)的頻響 Cb 0 01Cd 此時由Cd引起的共振峰大于100kHz 從圖中可以 看出 當Ra較大時 頻響曲線呈現(xiàn)過阻尼 3dB截 止頻率嚴重下降 當Ra很小 0 0005N s m 時 由于欠阻尼 又會在低頻段形成共振峰 同樣影響系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 特 性 從 圖 4 d 中 可 以 看 出 當Ra 0 002N s m 時 系 統(tǒng) 3dB截 止 頻 率 大 于 20kHz 當Ra過小 0 0008N s m 時 又會產(chǎn)生 欠阻尼 在低頻段形成共振峰 由于 PSPICE 計算 3dB截止頻率時是以系統(tǒng)最大值為參考 所以在 圖上體現(xiàn)為 3dB截止頻率反而下降 R a 合適的取 值應(yīng)當在0 0008 0 002N s m之間 圖4 e 是不同 Cd 下的頻率響應(yīng)曲線 從圖中 可以看出 Cd 振膜靜態(tài)機械靈敏度 是影響系統(tǒng)增 益的主要因素 但隨著Cd的增加 3dB截止頻率 也隨之下降 所以有必要在靈敏度和頻響兩項指標 之 間 作 出 調(diào) 整 從 圖 4 f 中 可 以 看 出 當Cd 0 0067m N 時 系 統(tǒng) 的 3dB截 止 頻 率 才 大 于 20kHz Cd一般設(shè)計為0 004 0 005m N 之間 圖4 Cb R a Cd與系統(tǒng)頻率響應(yīng)的關(guān)系 a 不同Cb下的頻率響應(yīng)曲線 b 第一諧振頻率與Cb的關(guān)系 c 不 同Ra下的頻率響應(yīng)曲線 d 3dB截止頻率與Ra的關(guān)系 e 不同Cd下的頻率響應(yīng)曲線 f 3dB截止頻率 與Cd的關(guān)系 FIG 4Relations Between Freguency Response and Cb R a C d Respectively a Freguency Response 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 Cd 459 半導體學報 22卷 3 3 聲學集總元件參數(shù)設(shè)計 3 3 1 振膜聲順Cd 有限元模擬表明 C d與b hb 密切相關(guān) 而z對 其影響不大 如果要將Cd控制在0 004 0 005m N 范圍內(nèi) 那么相應(yīng)的紋膜靈敏度應(yīng)為9 11nm Pa 從圖5可以看出 紋膜的靈敏度在 b 80pm時 最高 如果b進一步增大 不僅膜的靈敏度會減小 而且犧牲層腐蝕時間增加 會給釋放時保護帶來困 難 h b 應(yīng)在10 25pm之間 圖5紋膜靈敏度與b和hb的關(guān)系 FIG 5 SenSitivityofCorrugated Membrane aS Function of b and hb 3 3 2 氣隙阻尼Ra 當相鄰聲學孔中心之間的距離b一定時 氣隙 阻尼隨聲學孔底邊長度z增加而減少 隨紋膜與背 極板之間的距離ha增加而增加 根據(jù)流體力學有限 元的計算 可以得到如圖6所示的結(jié)果 當 b和ha 取值在曲線右上方時 R a 小于0 0015N S m 當b 和 ha 的 取 值 在 曲 線 左 下 方 時 Ra取 值 均 大 于 0 0015N S m ha的增加會使微麥克風電容量減小 這時雜散 電容的影響將加大 從而分散極板上的電荷 降低麥 克風的電學靈敏度 而 z的增加將減小背板的剛 度 綜合考慮上述因素 可取ha 2 4pm z 8pm 圖6氣隙聲阻Ra與ha z之間的關(guān)系 FIG 6AcouStic ReSiStance of Air Gap aS Function of haand z 3 3 3 背極板聲順Cb 當b 80pm z 8pm時 背板剛度只與背極板 厚度hb有關(guān) 為了滿足Cb Cd 10 背板必須具有一 定的厚度 我們使用ANSYS5 5計算了背極板的機械靈 敏度 其中設(shè)計變量為厚度 hb 狀態(tài) 約束 變量為 靈敏度 Sb 0 1Sd 1nm Pa z 2 2 zhb 2 3 h 2 b 目標函數(shù)為背極板靈敏度Sb 計算結(jié)果表明 當 背 極 板 厚 度 h 大 于 6 5pm 時 其 靈 敏 度 小 于 1nm Pa 即為了保證微麥克風的頻率特性 背極板 厚度需大于6 5pm hb過厚會對光刻造成不利影 響 綜合考慮hb對Cc的影響 h b 可以取為15pm 使用薄膜淀積法形成的微麥克風背極板 由于 淀積薄膜內(nèi)應(yīng)力很大而且難以控制 所以很難做得 很厚 而如果使用單晶硅襯底形成的微麥克風的背 極板 其力學性質(zhì)均勻穩(wěn)定 并且沒有厚度的限制 所以其頻率特性可以比前者好得多 優(yōu)化后的各項參數(shù)和系統(tǒng)截止頻率如表2所 示 該聲學系統(tǒng)在音頻范圍內(nèi)具有平直的頻響 其 3dB截止頻率可達33 4k Z 完全滿足設(shè)計要求 表2微麥克風各項參數(shù)的最優(yōu)值 Table 2OptimiZed DeSign ParameterS of Miniature Microphone b pmha pmz pmhb pmCd m N 1 Cb m N 1 Ra N S m 1 F 3dB k Z 802 48150 00450 0000860 001533 4 4 結(jié)論 CAD的引入是MEMS技術(shù)發(fā)展的必然要求 由于MEMS種類繁多 涉及的學科面很廣 目前尚 無通用的系統(tǒng)級輔助設(shè)計工具 一種有效的方法是 采用Top down的設(shè)計方式 首先使用EDA軟件對 MEMS進行系統(tǒng)級模擬 再使用其他CAD工具如 有限元分析模擬器件 子系統(tǒng)的行為 得到系統(tǒng)的優(yōu) 化參數(shù) 5597期 陳兢等 紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風的動態(tài)特性 使用EDA CAD工具進行Top down設(shè)計 我們將通用電路模擬軟件PSPICE和有限元分 析軟件ANSYS相結(jié)合 使用 Top down 的設(shè)計方 法對紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風這一聲學微系統(tǒng)的動態(tài)特性 進行了模擬 得到了各項參數(shù)的優(yōu)化值 優(yōu)化后的微 麥克風工作于剛度控制區(qū) 在音頻范圍內(nèi)具有平直 的頻響 這種方法具有較高的精度和很強的可擴展 性 在進一步的研究中 可以方便地將片上集成的前 置放大模塊以及封裝引起的各種效應(yīng)引入系統(tǒng) 完 成整個MEMS產(chǎn)品的設(shè)計 致謝中國科學院聲學研究所的陶中達老師 李曉 東老師與作者進行了有意義的討論 在此表示感謝 參考文獻 1 D J Nagel SPIE Paris France March April 1999 3680 20 2 0 Nagler M Trost B illerich and F Kozlowski Sensors and 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 Journal of Semiconductors 1996 l7 12 907 913 in Chinese 鄒 泉波 劉理天 李志堅 半導體學報 1996 l7 12 907 913 5 A C Tilmans JournalofMicromechanicsand Microengineering 1996 6 157 6 C ENJing LIULi tianandLI Zhi jian Micro and Nanometer Science g Technology 2000 5 1 109 111 in Chinese 陳 兢 劉 理 天 李 志 堅 微 米 納 米 科 學 與 技 術(shù) 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 CAD C EN 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 simulator PSPICE and the FEA Finite Element Analysis program ANSYS After the simulation of the dynamic behaviour of miniature microphone with corrugated membrane by using EDA CAD tools optimal values of the related parameters are obtained The optimized miniature microphone shows a flat freguency response in the audio freguency The top down approach is also introduced to analyse the behaviour of the compleX system and the interactions between different components in the design process Key wordS MEMS CAD dynamic behaviour miniature microphone corrugated membrance EEACC 1130B 2575 6540 Article ID 0253 4177 2001 07 0951 06 C EN 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 Electronics 659 半導體學報 22卷 紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風的動態(tài)特性 使用EDA CAD工具進行Top 紋膜結(jié)構(gòu)微麥克風的動態(tài)特性 使用EDA CAD工具進行Top down設(shè)計down設(shè)計 作者 陳兢 劉理天 李志堅 作者單位 清華大學微電子學研究所 刊名 半導體學報 英文刊名 CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTIORS 年 卷 期 2001 22 7 被引用次數(shù) 8次 參考文獻 9條 參考文獻 9條 1 C Thielemann G M Sessler 查看詳情 1997 2 Z Skvor 查看詳情 1967 3 J Bergqvist 查看詳情 1993 4 陳兢 劉理天 李志堅 查看詳情 2000 01 5 H A C Tilmans 查看詳情 1996 06