Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 1, стр. 40-45

ВВЕДЕНИЕ

Список устройств, применяющих МЭМС-микрофоны, растет с каждым годом благодаря развитию информационных технологий и росту популярности мультимедийных сообщений и помощников. МЭМС-микрофоны применяются в автомобильной электронике, смартфонах и гарнитурах, умной домашней электронике и помощниках, планшетных ПК, телевизорах, умных часах, слуховых аппаратах. Благодаря миниатюрности и техническим характеристикам МЭМС-микрофонов увеличивается количество микрофонов в смартфонах и планшетных ПК. Так Apple iPhone X имеет уже четыре МЭМС-микрофона, что расширяет возможности записи и обработки звуковых сигналов [1].

Рынок МЭМС-микрофонов стабильно растет. Ожидается, что к 2024 году рынок достигнет 2898.8 млн долларов США. Прогнозируемый показатель совокупного среднегодового темпа роста в периоде с 2018 по 2024 год составляет 11.7%. Ожидается, что к 2024 году потребность в МЭМС-микрофонах вырастет до 13.3 млрд единиц в год [2].

В сравнении с электретными микрофонами, МЭМС-микрофоны имеют ряд преимуществ: высокую повторяемость параметров при производстве, слабую зависимость параметров от температуры, большое отношение сигнал шум, интегрируемость технологии изготовления с КМОП-процессами.

КОНСТРУКЦИЯ МЭМС-МИКРОФОНА

МЭМС-микрофон состоит из МЭМС-элемента преобразования (ЭП), микросхемы предварительного усиления (микросхема ПУ), платы с акустическим входным отверстием и крышки (рис. 1). Пространство от акустического отверстия до подвижной мембраны называется надмембранным объемом; пространство за ЭП ограниченное корпусом микрофона называется подмембранным объемом [3].

Рис. 1.

Конструкция МЭМС-микрофона.

Конструкция МЭМС-ЭП (рис. 2) представляет собой переменный конденсатор, одна из обкладок которого чувствительна к акустическому давлению (чувствительный элемент), вторая неподвижна и перфорирована (электрод). Чувствительный элемент это мембрана, выполненная из поликремния и закрепленная по периметру с помощью упругих подвесов. Электрод это жестко закрепленная по периметру толстая пластина с перфорацией, выполненная из поликремния. ЧЭ и электрод разделены воздушным зазором [4].

Рис. 2

. Конструкция МЭМС-элемента преобразования.

Основными параметрами МЭМС-микрофонов являются: отношение сигнал шум (С/Ш), коэффициент нелинейных искажений (КНИ), неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Отношение сигнал шум это разница в децибелах между уровнем шума на выходе микрофона и стандартным опорным сигналом 1 кГц, 94 дБ (1 Па). Шум на выходе включает шум, вносимый как МЭМС-ЭП, так и микросхемой ПУ. Измерение шумового выхода микрофона происходит в тихой, безэховой среде с применением кривой взвешенной характеристики А, которая соответствует чувствительности человеческого уха к звуку на разных частотах [5]. Коэффициент нелинейных искажений это отношение среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала. КНИ выражается в процентах [6].

МЭМС-микрофоны, представленные в большом количестве на рынке фирмами Knowles, TDK Inven Sense, Infineon Technologies, STMicroelectronics обладают С/Ш в диапазоне 59–66 дБ(А), КНИ при уровне акустического давления 94 дБ (1 Па) на частоте 1 кГц 0.2–0.4%, неравномерностью АЧХ 2.5–3 дБВ [7].

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЭМС-МИКРОФОНА

При разработке МЭМС-микрофона применяется компьютерное моделирование в программном комплексе ANSYS. При помощи ANSYS Mechanical производится расчет и оптимизация конструкции ЧЭ. На рис. 3 представлен прогиб ЧЭ под действием давления 1 Па и зависимость прогиба ЧЭ от частоты внешнего воздействия. Оптимизация конструкции, размеров и количества упругих подвесов позволяет изменять чувствительность, резонансную частоту и форму деформации ЧЭ [8].

Рис. 3.

Моделирование и оптимизация параметров ЧЭ.

Одной из основных проблем изготовления МЭМС элементов преобразования являются остаточные механические напряжения [9]. На рис. 4а представлен расчет деформированной под действием сжимающих остаточных механических напряжений структура поликремневого электрода. Деформированная структура приводит к неравномерному увеличению воздушного зазора между электродом и ЧЭ, уменьшению активной емкости и, соответственно, к уменьшению С/Ш. Одним из вариантов релаксации остаточных напряжений является компенсация при помощи тонкой диэлектрической пленки Si₃N₄ с противоположными растягивающими напряжениями. Моделирование уменьшение деформации в комбинированной структуре представлено на рис. 4б. Деформация уменьшена с 3.4 до 0.18 мкм. Существуют и другие конструктивные способы релаксации напряжений: при помощи упругих подвесов и гофрирования структуры.

Рис. 4.

Моделирование остаточных напряжений в структуре: а – электрод деформированный под действием остаточных механических напряжений; б – электрод с слоем Si₃N₄.

В работе [10] подробно представлены используемые способы расчета CV-характеристик МЭМС-ЭП. Конденсаторный МЭМС-микрофон требует постоянного напряжения смещения между ЧЭ и электродом. При подаче напряжения возникает притягивающая электростатическая сила, которая деформирует ЧЭ и смещает его в сторону электрода. При этом увеличивается емкость МЭМС-микрофона. При определенной величине напряжения смещения, которая называется напряжением притягивания (pull-in voltage), деформация ЧЭ становиться настолько большой, что мембрана спонтанно выходит из состояния равновесия и приходит в механический контакт с электродом. В таком режиме МЭМС-микрофон не работоспособен. Напряжение притягивания является важной характеристикой МЭМС-ЭП, так как оно определяет рабочее напряжение смещения. Получить значение напряжения притягивания можно из CV-характеристики, т.е. из зависимости емкости МЭМС-ЭП от напряжения смещения. Из-за сложной формы электрода и подвижной мембраны использование аналитических методов для расчета CV-характеристики не эффективно. В качестве альтернативы необходимо использовать конечно-элементное моделирование, одним из достоинств которого является возможность учета мельчайших деталей конструкции электродов МЭМС-микрофона. На рис. 5 представлены CV-характеристики МЭМС-ЭП для различных начальных зазоров.

Рис. 5.

CV-характеристика МЭМС-ЭП.

Характеристики МЭМС-микрофона в отличие от интегральных микросхем сильно зависят от параметров корпуса. На АЧХ МЭМС-микрофона значительное влияет размеры корпуса, положение размеры и количество акустических отверстий, размеры надмембранного и подмембранного объемов, материал корпуса. С помощью ANSYS создана и рассчитана модель, включающая механическую модель МЭМС-ЭП и акустическую модель воздуха внутри корпуса. На рис. 6 представлены рассчитанные и измеренные АЧХ с различным количеством и положением акустических отверстий [11, 12].

Рис. 6.

Результаты конечно-элементного моделирования и измерения АЧХ макета МЭМС-микрофона.

Макет с акустическим отверстием в плате имеет ровную АЧХ, что говорит о том, что акустический резонанс надмембранного объема выше 10 кГц и не влияет на характеристику в рабочем диапазоне частот. Кроме того, большой подмембранный объем увеличивает чувствительность микрофона.

Макет с одним отверстием в крышке имеет четко выраженный резонанс на частоте 3.4 кГц и спад АЧХ на низких частотах, связанный с тем, что при уменьшении подмембранного объема увеличивается сопротивление, которое он оказывает движению мембраны, то есть, снижается чувствительность МЭМС-ЭП. Подъем АЧХ из-за резонанса частично компенсирует падение чувствительности в области низких и средних частот.

МАКЕТ КОНДЕНСАТОРНОГО МЭМС-МИКРОФОНА

В НПК “Технологический центр” разработан и изготовлен макет первого отечественного МЭМС-микрофона. Макет имеет ровную АЧХ с неравномерностью 2–3 дБВ в диапазоне частот от 100 Гц до 10 кГц. Достигнутые значения С/Ш составляют 65 дБ(А), коэффициент нелинейных искажений (КНИ) 0.2% при уровне акустического давления 94 дБ на частоте 1 кГц. На рис. 7 представлена АЧХ макета и общий вид.

Рис. 7.

Амплитудно-частотная характеристика макета МЭМС-микрофона.

Однако в настоящее время на мировом рынке наблюдается тенденция в увеличении С/Ш конденсаторных МЭМС микрофонов до уровня 78 дБ(А) [13]. Улучшение данного параметра стало возможным благодаря новой конструкции с встречно-штыревой структурой ЭП (рис. 1), которая позволила не только увеличить активную емкость, но и уменьшить шум, связанный с прохождением звука через отверстия перфорированного электрода [14, 15].

В НПК “Технологический центр” активно проводятся работы по разработке новых конструкций и совершенствованию технических характеристик МЭМС-микрофонов. Для увеличения емкости МЭМС-ЭП ведется проработка конструкции с встречно-штыревой структурой элемента преобразования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработанный в НПК “Технологический центр” макет МЭМС-микрофона обладает характеристиками на уровне зарубежных аналогов, что показывает возможность создания конкурентоспособного изделия на отечественном рынке для использования в современных устройствах мобильной и портативной электроники.

При разработке МЭМС-микрофона применялось компьютерное моделирование в программном комплексе ANSYS. Производились оптимизация чувствительности и резонансной частоты ЧЭ, расчет CV-характеристики МЭМС-ЭП, акустический расчет корпуса МЭМС-микрофона.

В связи с ростом рынка высокочувствительных МЭМС-микрофонов проводится работа по увеличению С/Ш с помощью: снижения шума МЭМС-ЭП, снижения шума микросхемы ПУ, увеличение отношения активной емкости к паразитной емкости МЭМС-ЭП [16].