Новости науки 19.05.02. Низковольтный малошумящий кремниевый микрофон

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по изготовлению микрофонов на кремниевых подложках с использованием стандартных технологических процессов, что позволяет снизить стоимость устройства при сохранении высокой чувствительности и низком уровне шумов. Успех недавно пришел к датским специалистам - им удалось создать миниатюрный низковольтный кремниевый микрофон.

Рис. 1. Микрофотография 1 х 1мм² 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.

Сотрудники датской фирмы Microtronic A/S разработали конденсаторный микрофон с двумя симметричными относительно мембраны обкладками. 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.

Датскими специалистами разработан технологический маршрут обработки пластин при формировании микрофонов с размерами мембран 2 х 2 и 1 х 1 мм² . Для уменьшения паразитной емкости мембрана подвешивается на мостиках, по 8 штук на каждой стороне (рис. 1). Фрагмент микрофона с бо▓льшим увеличением показан на рис. 2.

Пробный набор мембран с разным числом слоев и знаком внутренних напряжений позволил выбрать оптимальную комбинацию с суммарными напряжениями порядка 45 МПа, состоящую из 0.4 мкм поликристаллического кремния, легированного бором и двух слоев Si₃N₄ с полной толщиной 900 A.

Рис. 2. Изображение вертикальных отверстий в мембране, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Оценка работоспособности микрофонов проводилась прямо на пластине с помощью зондов со встроенным малошумящим буферным усилителем. Полная чувствительность микрофона 2 х 2 мм² при питании 1.5 В и 1 кГц составила 13 мВ/Па. Измерения были проведены отдельно для каждой обкладки, было установлено, что нижняя обкладка дает вдвое меньший вклад в сравнении с верхней из-за различия паразитных емкостей, не работающих на полезный сигнал (63 % и 17 %). Динамический диапазон микрофонов на 10 дБ превышает обычный для такой техники предел 108 дБ. Полное гармоническое искажение сигнала не превышает 0.3 и 1.6 %, соответственно для звукового давления 80 и 100 дБ.

перейти к началу страницы