中 華 大 學

碩 士 論 文

題目駐極體電容式矽晶微音器振膜之

模態分析與製作方法

系 所 別機械與航太工程研究所

學號姓名M09208035 陳 維 志

指導教授葉 明 勳 博士

李 芳 慶 博士

中華民國 九十四 年 七 月

i

摘要

本論文主要針對電容式矽晶微音器(Silicon Condenser Microphone)

振膜之機械特性作一探討由於影響微音器感度的最主要因素是振膜

(Diaphragm)的機械感度(Mechanical Sensitivity Sm)與第一共振頻率

(First Resonance Frequency f )因此本研究將針對不同皺折形式之振

膜作詳細分析於本研究中選定四種不同形式的皺折振膜(Corrugate

Diaphragm)(1)全皺折(2)局部皺折(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加

電橋振膜尺寸為 1mmtimes1mm材質為氮化矽(Silicon Nitride)利用有

限單元法(Finite-Element Method FEM)分析不同形式的皺折振膜之機

械感度與第一共振頻率並與平面振膜(Flat Diaphragm)比較之間的差

異最後選定一種最佳形式的皺折振膜來做實驗實際製作並量測其

機械感度與第一共振頻率與計算值做比較結果發現理論分析與實

驗結果相互匹配因此本分析結果可提供往後設計製作微音器振膜之

參考依據

關鍵字矽晶微音器皺折振膜有限單元法機械感度

第一共振頻率

ii

Abstract

This paper investigates the mechanical properties of diaphragm of

Silicon Condenser Microphone The sensitivities of microphone are mainly

affected by mechanical sensitivity and first resonance frequency of

diaphragms so this research have detailed analysis for different types of

corrugated diaphragm In this study selected four types of diaphragms

(1)Full corrugation (2)Partial corrugation (3) Full corrugation with

electric bridge (4) Partial corrugation with electric bridge The diaphragm

of silicon microphone was made of thin silicon nitride film whose size is

1mm square area In this research analyzed the mechanical sensitivity and

first resonance frequency of different types of corrugated diaphragms by

Finite-Element Method (FEM) And compared the difference with flat

diaphragm For comparison the simulation results calculated by ANSYS

would be presented to verify the experimental results The simulated results

are in good agreement with the experiments This paper provides a

reference to design and fabricate the diaphragm of Silicon Condenser

Microphone

Key words Silicon Condenser Microphone Corrugated Diaphragm

Finite-Element Method Mechanical Sensitivity

First Resonance Frequency

誌 謝

首先由衷的感謝我的指導老師 葉明勳博士與工業技術研究院材

料所 李芳慶博士在理論與分析計算及振膜製程上的指導以及柯文

清先生與台灣大學應用力學研究所 鄭志強先生在實驗量測方面的指

導與建議在你們不辭辛勞悉心的指導下才能有今日的成果使我在

這兩年的學習過程中除了獲得專業領域的知識外更學習到研究學

問應有的態度和方法同時感謝口試委員龍華科技大學教授 翁文彬

博士與系上教授 任貽明博士的指教與建議使本論文更臻理想在

此深表感激

在研究期間特別感謝工業技術研究院工業材料研究所電聲複材

研究計畫與佳樂電子股份有限公司所有參與合作計畫人員經理 姜

達銘博士楊宗龍博士楊智銘先生嚴坤龍先生彭兆民先生周

少槐先生及鄭龍正先生在研究上給予我許多的提攜及指導才能使論

文研究順利完成並感謝系上教授 林育立博士的熱心指導與建議

同時感謝畢業學長葉日翔陳永松同學清華騰中義鈞嘉

緯以及學弟于凱士傑朝榮在研究期間的全力協助與陪伴下使得

在兩年的研究生涯中更加多采多姿

最後感謝我敬重的父母親及哥哥有你們的支持陪伴使我

得以順利完成學業在此僅以將成果與喜悅獻給上述所有感謝的人

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipii

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipIII

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-3 研究目標架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

第二章 電容式麥克風之理論分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-1 電容式麥克風作用原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-2 理論驗證helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

第三章 矽麥克風振膜之模態分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-1 分析理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-2 振膜尺寸設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3 分析結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-1 皺折對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-3 電橋對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

第四章 駐極體電容式麥克風之製程與量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1 製程設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-1 振膜晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-2 背板晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23

4-1-3 外殼製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2 製程結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-1 振膜晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-2 背板晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

4-3 第一共振頻率量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-2 麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-1 靜態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-2 動態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

第六章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-1 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-2 未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71

附錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

i

摘要

本論文主要針對電容式矽晶微音器(Silicon Condenser Microphone)

振膜之機械特性作一探討由於影響微音器感度的最主要因素是振膜

(Diaphragm)的機械感度(Mechanical Sensitivity Sm)與第一共振頻率

(First Resonance Frequency f )因此本研究將針對不同皺折形式之振

膜作詳細分析於本研究中選定四種不同形式的皺折振膜(Corrugate

Diaphragm)(1)全皺折(2)局部皺折(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加

電橋振膜尺寸為 1mmtimes1mm材質為氮化矽(Silicon Nitride)利用有

限單元法(Finite-Element Method FEM)分析不同形式的皺折振膜之機

械感度與第一共振頻率並與平面振膜(Flat Diaphragm)比較之間的差

異最後選定一種最佳形式的皺折振膜來做實驗實際製作並量測其

機械感度與第一共振頻率與計算值做比較結果發現理論分析與實

驗結果相互匹配因此本分析結果可提供往後設計製作微音器振膜之

參考依據

關鍵字矽晶微音器皺折振膜有限單元法機械感度

第一共振頻率

ii

Abstract

This paper investigates the mechanical properties of diaphragm of

Silicon Condenser Microphone The sensitivities of microphone are mainly

affected by mechanical sensitivity and first resonance frequency of

diaphragms so this research have detailed analysis for different types of

corrugated diaphragm In this study selected four types of diaphragms

(1)Full corrugation (2)Partial corrugation (3) Full corrugation with

electric bridge (4) Partial corrugation with electric bridge The diaphragm

of silicon microphone was made of thin silicon nitride film whose size is

1mm square area In this research analyzed the mechanical sensitivity and

first resonance frequency of different types of corrugated diaphragms by

Finite-Element Method (FEM) And compared the difference with flat

diaphragm For comparison the simulation results calculated by ANSYS

would be presented to verify the experimental results The simulated results

are in good agreement with the experiments This paper provides a

reference to design and fabricate the diaphragm of Silicon Condenser

Microphone

Key words Silicon Condenser Microphone Corrugated Diaphragm

Finite-Element Method Mechanical Sensitivity

First Resonance Frequency

誌 謝

首先由衷的感謝我的指導老師 葉明勳博士與工業技術研究院材

料所 李芳慶博士在理論與分析計算及振膜製程上的指導以及柯文

清先生與台灣大學應用力學研究所 鄭志強先生在實驗量測方面的指

導與建議在你們不辭辛勞悉心的指導下才能有今日的成果使我在

這兩年的學習過程中除了獲得專業領域的知識外更學習到研究學

問應有的態度和方法同時感謝口試委員龍華科技大學教授 翁文彬

博士與系上教授 任貽明博士的指教與建議使本論文更臻理想在

此深表感激

在研究期間特別感謝工業技術研究院工業材料研究所電聲複材

研究計畫與佳樂電子股份有限公司所有參與合作計畫人員經理 姜

達銘博士楊宗龍博士楊智銘先生嚴坤龍先生彭兆民先生周

少槐先生及鄭龍正先生在研究上給予我許多的提攜及指導才能使論

文研究順利完成並感謝系上教授 林育立博士的熱心指導與建議

同時感謝畢業學長葉日翔陳永松同學清華騰中義鈞嘉

緯以及學弟于凱士傑朝榮在研究期間的全力協助與陪伴下使得

在兩年的研究生涯中更加多采多姿

最後感謝我敬重的父母親及哥哥有你們的支持陪伴使我

得以順利完成學業在此僅以將成果與喜悅獻給上述所有感謝的人

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipii

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipIII

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-3 研究目標架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

第二章 電容式麥克風之理論分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-1 電容式麥克風作用原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-2 理論驗證helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

第三章 矽麥克風振膜之模態分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-1 分析理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-2 振膜尺寸設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3 分析結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-1 皺折對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-3 電橋對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

第四章 駐極體電容式麥克風之製程與量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1 製程設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-1 振膜晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-2 背板晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23

4-1-3 外殼製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2 製程結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-1 振膜晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-2 背板晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

4-3 第一共振頻率量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-2 麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-1 靜態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-2 動態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

第六章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-1 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-2 未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71

附錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

ii

Abstract

This paper investigates the mechanical properties of diaphragm of

Silicon Condenser Microphone The sensitivities of microphone are mainly

affected by mechanical sensitivity and first resonance frequency of

diaphragms so this research have detailed analysis for different types of

corrugated diaphragm In this study selected four types of diaphragms

(1)Full corrugation (2)Partial corrugation (3) Full corrugation with

electric bridge (4) Partial corrugation with electric bridge The diaphragm

of silicon microphone was made of thin silicon nitride film whose size is

1mm square area In this research analyzed the mechanical sensitivity and

first resonance frequency of different types of corrugated diaphragms by

Finite-Element Method (FEM) And compared the difference with flat

diaphragm For comparison the simulation results calculated by ANSYS

would be presented to verify the experimental results The simulated results

are in good agreement with the experiments This paper provides a

reference to design and fabricate the diaphragm of Silicon Condenser

Microphone

Key words Silicon Condenser Microphone Corrugated Diaphragm

Finite-Element Method Mechanical Sensitivity

First Resonance Frequency

誌 謝

首先由衷的感謝我的指導老師 葉明勳博士與工業技術研究院材

料所 李芳慶博士在理論與分析計算及振膜製程上的指導以及柯文

清先生與台灣大學應用力學研究所 鄭志強先生在實驗量測方面的指

導與建議在你們不辭辛勞悉心的指導下才能有今日的成果使我在

這兩年的學習過程中除了獲得專業領域的知識外更學習到研究學

問應有的態度和方法同時感謝口試委員龍華科技大學教授 翁文彬

博士與系上教授 任貽明博士的指教與建議使本論文更臻理想在

此深表感激

在研究期間特別感謝工業技術研究院工業材料研究所電聲複材

研究計畫與佳樂電子股份有限公司所有參與合作計畫人員經理 姜

達銘博士楊宗龍博士楊智銘先生嚴坤龍先生彭兆民先生周

少槐先生及鄭龍正先生在研究上給予我許多的提攜及指導才能使論

文研究順利完成並感謝系上教授 林育立博士的熱心指導與建議

同時感謝畢業學長葉日翔陳永松同學清華騰中義鈞嘉

緯以及學弟于凱士傑朝榮在研究期間的全力協助與陪伴下使得

在兩年的研究生涯中更加多采多姿

最後感謝我敬重的父母親及哥哥有你們的支持陪伴使我

得以順利完成學業在此僅以將成果與喜悅獻給上述所有感謝的人

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipii

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipIII

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-3 研究目標架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

第二章 電容式麥克風之理論分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-1 電容式麥克風作用原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-2 理論驗證helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

第三章 矽麥克風振膜之模態分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-1 分析理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-2 振膜尺寸設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3 分析結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-1 皺折對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-3 電橋對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

第四章 駐極體電容式麥克風之製程與量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1 製程設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-1 振膜晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-2 背板晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23

4-1-3 外殼製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2 製程結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-1 振膜晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-2 背板晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

4-3 第一共振頻率量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-2 麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-1 靜態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-2 動態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

第六章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-1 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-2 未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71

附錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

誌 謝

首先由衷的感謝我的指導老師 葉明勳博士與工業技術研究院材

料所 李芳慶博士在理論與分析計算及振膜製程上的指導以及柯文

清先生與台灣大學應用力學研究所 鄭志強先生在實驗量測方面的指

導與建議在你們不辭辛勞悉心的指導下才能有今日的成果使我在

這兩年的學習過程中除了獲得專業領域的知識外更學習到研究學

問應有的態度和方法同時感謝口試委員龍華科技大學教授 翁文彬

博士與系上教授 任貽明博士的指教與建議使本論文更臻理想在

此深表感激

在研究期間特別感謝工業技術研究院工業材料研究所電聲複材

研究計畫與佳樂電子股份有限公司所有參與合作計畫人員經理 姜

達銘博士楊宗龍博士楊智銘先生嚴坤龍先生彭兆民先生周

少槐先生及鄭龍正先生在研究上給予我許多的提攜及指導才能使論

文研究順利完成並感謝系上教授 林育立博士的熱心指導與建議

同時感謝畢業學長葉日翔陳永松同學清華騰中義鈞嘉

緯以及學弟于凱士傑朝榮在研究期間的全力協助與陪伴下使得

在兩年的研究生涯中更加多采多姿

最後感謝我敬重的父母親及哥哥有你們的支持陪伴使我

得以順利完成學業在此僅以將成果與喜悅獻給上述所有感謝的人

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipii

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipIII

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-3 研究目標架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

第二章 電容式麥克風之理論分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-1 電容式麥克風作用原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-2 理論驗證helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

第三章 矽麥克風振膜之模態分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-1 分析理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-2 振膜尺寸設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3 分析結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-1 皺折對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-3 電橋對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

第四章 駐極體電容式麥克風之製程與量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1 製程設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-1 振膜晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-2 背板晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23

4-1-3 外殼製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2 製程結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-1 振膜晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-2 背板晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

4-3 第一共振頻率量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-2 麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-1 靜態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-2 動態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

第六章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-1 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-2 未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71

附錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

目錄

中文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipi

英文摘要helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipii

圖目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipI

表目錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipIII

第一章 緒論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-1 前言helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

1-2 文獻回顧helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip2

1-3 研究目標架構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4

第二章 電容式麥克風之理論分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-1 電容式麥克風作用原理helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

2-2 理論驗證helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

第三章 矽麥克風振膜之模態分析helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-1 分析理論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

3-2 振膜尺寸設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3 分析結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-1 皺折對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-3 電橋對機械感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19

第四章 駐極體電容式麥克風之製程與量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1 製程設計helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-1 振膜晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22

4-1-2 背板晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23

4-1-3 外殼製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2 製程結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-1 振膜晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-2 背板晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

4-3 第一共振頻率量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-2 麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-1 靜態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-2 動態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

第六章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-1 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-2 未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71

附錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

4-1-2 背板晶片製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23

4-1-3 外殼製程helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2 製程結果討論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-1 振膜晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

4-2-2 背板晶片製程結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

4-3 第一共振頻率量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27

4-4-2 麥克風封裝helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-1 靜態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

5-2 動態感度量測helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

第六章 結論與未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-1 結論helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32

6-2 未來展望helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33

參考文獻helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71

附錄helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

I

圖目錄 圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖helliphellip34

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖(b)振膜上視圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip35

圖 2-3 麥克風感度曲線helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip39

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖helliphelliphelliphelliphelliphellip40

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折)helliphelliphellip41

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋)42

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折)helliphelliphellip43

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋)hellip44

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖helliphelliphellip45

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip46

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip47

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa聲壓之變形圖helliphelliphelliphelliphelliphellip48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

圖 4-2振膜晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

圖4-3 皺折振膜SEM顯微截面圖像(振膜編號 I)(a)皺折結構截面圖(b)

單一皺折放大圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip51

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III)(a)振膜尺寸圖(b)

四端電橋處應力集中現象helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

II

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(a)皺折振膜 I(b)皺折振膜 IIhelliphelliphellip55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-10 電暈放電機構helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係helliphelliphelliphelliphellip57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip60

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械

感度helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

圖 5-5 WYKO白光干涉儀掃描結果(平面振膜)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

III

表目錄 表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

表 3-1 不同振膜之分析結果helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

表 4-1 振膜複合層材料特性helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69

表5-3 Fotonic Sensor量測麥克風皺折振膜感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

1

第一章 緒論

1-1 前言

微音器亦稱為麥克風(Microphone)是電聲傳導器(Electro-Acoustic

Transducer)的一種是一種將聲音能量轉換為電能的機構其目的

在於能將聲音訊號經由電訊號的轉換而達到傳播溝通及記錄等功

能目前麥克風種類主要包括動圈式麥克風(Dynamic

Microphone)壓電式壓阻式麥克風(PiezoelectricPiezoresistive

Microphone)電容式麥克風(Condenser Microphone)及駐極體電容式

麥克風(Electret Condenser Microphone)等其基本原理為聲壓入射於

麥克風導致振膜振動形成電容變化電磁變化或壓電訊號再經

由場效電晶體(Field Effect Transistor FET)阻抗匹配及訊號放大而獲

得明顯的電壓或電流訊號

電容式麥克風擁有高靈敏度與低消耗功率的優點已成為目前

發展主流電容式麥克風(又稱為靜電式麥克風)的構造是在固定電

極與振膜上的移動電極之間隔成一氣室而形成一電容器當音壓

變化時隔膜移動造成電容值的變化因而產生出電壓的改變駐

極體電容式麥克風於振膜與背板間含有駐極體材料可提供永久性的

極化電壓

近年來由於 3C 產業發展迅速產品均朝向省電輕薄

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

2

短小發展電容式麥克風由於其訊號穩定雜訊比低靈敏度高

及構造簡單因而成為目前麥克風市場上的主流產品有鑑於此

結合矽技術(Silicon Technology)微機電系統技術(MEMS)及電容式

麥克風製造技術等所發展出小於 1mm2 面積振膜的微小型矽電容式

麥克風(Subminiature Silicon Condenser Microphone)是本論文研究

之主要目標

本研究將利用有限單元法及實驗量測來探討影響駐極體電容式

麥克風感度之振膜機械感度及決定麥克風可用頻寬之振膜第一共振

頻率根據 PRScheeper 等人[1]所提出當麥克風振膜有預應力時

含有皺折之振膜受聲壓所產生之變形量較平面振膜大且其第一共

振頻率較平面振膜為低因此不同皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率將為本研究之討論重點

1-2 文獻回顧

麥克風的應用發展至今已超過一個世紀追溯最早麥克風的出

現是在 1875 年由 Reis 和 Alexander Graham Bell 所研製而成[2]由

於 Bell 為了使電話達到免用電池的目的因此在兩個電話間用金屬

導線連接當時此裝置被稱為電磁傳導器(magneto transmitters)成

為第一個受話器

1879 年 Edison and Dolbear 提出第一個電容式傳導器(condenser

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

3

transmitters)雖然在當時未被應用於麥克風上但成為日後研究電

容式麥克風的先驅

1984 年 Hohm and Gerhard-Multhaupt 提出了第一個利用矽微加

工技術製作電容式麥克風[3]其薄膜為一直徑 8mm 厚度 13μm 的金

屬化聚合物（聚酯薄膜 Mylar）背板為 10mmtimes10mm 的矽而且有一

直徑 1mm 的圓形孔洞加上 350V 的偏壓時其感度達到 8mvPa

1985年Hijab 和Mullerki 提出犧牲層技術(Sacrificial layer

technique)[4]使矽晶麥克風由原本需要二片晶片演進成只需一片

晶片就可以做出麥克風所要的結構大幅降低成本及製做複雜度

1989 年 Sprenkel 和 Murphy et al[5]也應用 Mylar 當作薄膜並

把 Mylar 薄膜直接黏貼於背極上之後外加 300V 的偏壓麥克風

的感度已達到 25mvPa此種製程方式雖將感度提昇許多但是卻

未能符合低耗能的要求

1990年Jerman 提出利用皺褶薄膜(Corrugated diaphragm)[6] 取

代原本平坦式的薄膜利用皺折結構的特性提高薄膜靈敏度

1992 年 PRScheeper 和 PBergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風[78]圖 1-1 為此麥克風的結構側視剖面圖在他們所提出的

論文中探討兩極板間隙與背極孔洞對於截止頻率的影響藉由增加

兩極板間隙與背極孔洞數目來降低兩極板間的空氣電阻以提高截

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

4

止頻率

1994 年 PRScheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化

矽薄膜[1]面積 2mmtimes2mm 厚度 1μm有別於以往平板式薄膜他

們在氮化矽薄膜上設計皺折狀進而探討皺折深度及初始內應力對

於薄膜之機械感度的影響在皺折深度 4μm 的設計條件有初始應

力的情況下有皺折的薄膜之機械感度較平板式的薄膜高於約 25

倍

1998 年P C Hsu CH Mastrangelo和KD Wise[9]提出一高靈敏

度的多晶矽薄膜電容式麥克風以SiO2Si3N4聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料[110-14]並且將振膜與背板建立在單一晶片上結構如 圖

1-2所示利用矽與矽的化合物製作振膜可以得到較低的預應力獲

得較高的靈敏度感度約為20mvPa截止頻率為25KHz因此在

往後薄膜設計製作中大多利用矽或矽化合物作為薄膜材料因為

矽或矽化合物具有較低的初始內應力較不易使薄膜產生不規則扭

曲且有較高的機械感度

1-3 研究動機與架構

在研究期間由於吾人參與工業技術研究院工業材料研究所電聲

複材研究計畫部門中由李芳慶博士與楊宗龍博士主持之ldquo應用系統單

晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發rdquo因此本論文架構乃依據此計

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

5

畫研究部分針對駐極體電容式矽晶麥克風振膜之機械性質作詳細

的探討

由於駐極體電容式麥克風的振膜與背板之間存有電場因此會

產生之靜電力會導致振膜有預變形有鑑於此本研究先利用有限

單元法計算振膜受不同靜電位之變形再計算不同靜電位作用下外

加單位聲壓(+1Pa 及-1Pa)所造成的振膜變形兩者之差即為振膜受

單位聲壓下振膜之真實變形量由於振膜之機械感度定義為振膜受

單位聲壓作用時振膜中心之變形量因此上述兩狀況之振膜中心之

變形量差即為振膜之機械感度可作為比較平面振膜與皺折振膜分

別對聲壓敏感度之依據

本論文分為六章第二章說明駐極體電容式麥克風之作用原理

與設計理論第三章針對振膜作分析模擬比較平面振膜與皺折振

膜於機械特性上之差異選定四種不同形式的皺折振膜(1)全皺折

(2)局部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋與

平面振膜作比較電橋之作用在於加強皺折內圈振膜變形所產生之

訊號導出所以電橋對皺折振膜之影響也將詳加討論最後再依據

分析結果選定最佳型式的振膜作為駐極體電容式麥克風的設計規

格第四章則敘述駐極體電容式麥克風之製程包括製程設計與結

果第一共振頻率量測組裝過程及結果第五章則實際量測麥克

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

6

風之機械感度並將量測結果與有限單元法計算的結果進行比較

以驗證有限單元分析結果之準確性作為往後設計麥克風振膜之參

考依據第六章為本論文之結論與未來展望

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

7

第二章 電容式麥克風之理論分析

2-1 電容式麥克風作用原理

傳統電容式麥克風是在固定電極與薄膜片上的移動電極間隔一

氣室而形成一個電容器且在其薄板間加上約 200V 左右之極化電

壓其架構圖如圖 2-1 所示[15]當聲壓變化時薄膜移動造成電容值

的變化因而產生輸出電壓的改變電容變化所產生電流信號會與聲

音壓力位準成一比例傳統電容式麥克風因具有高敏感度頻率反應

佳低自生噪音及低失真為目前市場之主流但其缺點則是需要高

極化電壓輸入均勻振膜張力金屬振膜表面靜電及易吸附粉塵而降

低噪訊比(SN)對溼度之敏感性較高保存時須增加除濕系統的支

出

駐極體電容式麥克風係在電容薄膜片與固定背板間之空氣層置

入一預先極化之固體電介質即為永久電極箔避免由外界供應一偏壓

而無法達到降低輸入電壓的需求且薄膜片因入射聲壓產生相對移動

位移使得電極箔與固定背板間之電荷分佈改變而產生電壓變化電

容式麥克風優點為構造簡單可產生極大之電容溼度敏感性低且不

須外界極化電壓本研究的駐極體電容式麥克風由振膜晶片背板晶

片及外殼等結構所組成(圖 2-2)

（1） 振膜晶片結構含有振膜電極空氣間隙層駐極體等部份

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

8

其中振膜是能將聲波轉換成機械振動藉由電極傳遞電壓訊

號空氣間隙層提供振膜振動空間並控制振膜與背板間之電場

大小駐極體則是提供永久的極化電壓

（2） 背板晶片結構含有背板電極背氣腔場效電晶體等部份

其中背板提供振動空間及排氣功能藉由電極傳遞電壓訊號

背氣腔提供空氣阻尼場效電晶體發揮阻抗匹配的功能

（3）外殼結構(包含外殼封裝)外殼提供振膜晶片背板晶片組裝機

制以及有雜訊遮蔽及訊號輸出之功能

組合上述的三種機構即可達到駐極電容式麥克風的基本功能

由於麥克風經常運用於人可發出之聲音頻率範圍內故其性能要

求(效率及頻寬等)與設計須有特別的考量才可以達到人耳可感受的

頻率範圍(20~20kHz)及感度所以在結構設計中必須考量到麥克風的

感度曲線如圖 2-3 所示[16]感度曲線要寬廣且平坦圖中 S 為麥克風

感度值 dF 是麥克風的頻率下限值 uF 是麥克風的頻率上限值

若 dF 愈小或 uF 愈大則代表此麥克風可用頻寬較寬廣具有低失真

度 dF 值可由下式決定

)(21

pimbd CCCR

F （2-1）

其中 bR 麥克風外接串聯電阻

mC 駐極體電容式麥克風電容值

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

9

iC 麥克風外接串聯電容值

pC 麥克風封裝所形成的電容值

uF 值由複合材振膜決定則

d

d

dou ak

F 11 （2-2）

其中 da 振膜邊長 d 振膜張力

d 振膜密度 ok 定常數(針對四邊固定之矩形薄膜

21ok )

針對邊界固定之圓形薄膜在無預應力條件下假設薄膜受正向壓

力 P 時薄膜中心變形量 ow 則 P 與 ow 關係如下表示[1]

3

3

4

4

24

4

2 )1(832

)1(335

d

o

d

dd

d

o

d

dd

hw

Rh

vE

hw

Rh

vEP （2-3）

其中 dE 薄膜楊氏係數(Youngrsquos modulus)v蒲松比(Poissonrsquos

Ratio) dR 振膜之等效半徑 dh 振膜之厚度

若薄膜在含有預應力條件下則

3

3

4

4

22

2

)1(8324

d

o

d

dd

d

o

d

dd h

wRh

vE

hw

RhP （2-4）

其中 d 振膜之預應力(initial stress of the diaphragm layer without

corrugation)

為了增加複合層振膜之變形能力進而增加麥克風之機械感度將

平面式(flat type)振膜變更為皺褶式(corrugated type)振膜其振膜剖面

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

10

示意圖如圖 2-4 所示則則 P 與 ow 關係如下表示

3

3

4

4

24

4

)1( d

o

d

ddp

d

o

d

ddp h

wRh

vEb

hw

RhEaP （2-5）

其中

)1(3

)3)(1(2

2

2

qvqqap （2-6）

])3)((

361[

9132 2

2

qvqv

qvbp （2-7）

其中 q振膜皺褶的側面設計因子(平面振膜 q 值近似 1皺折振膜 q

值大於 1)

若皺折結構形狀為正弦曲線輪廓則 q 為

]511[ 2

22

dhH

LSq （2-8）

其中 H振膜皺折的深度L振膜皺折之週期性長度S振膜皺折

的弧長度

2-2 理論驗證

為驗證本文使用之 ANSYS 計算方法與前述解析解理論之準確

性假設振膜之條件圓形全皺折振膜半徑為 500μm單一皺折

寬度及深度均為 10μm楊氏係數為 150GPa蒲松比 03驗證例為

利用 ANSYS 分析計算出在 1Pa 壓力下皺折振膜之中心變形量再

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

11

將所有參數及ANSYS計算出之中心變形量代回(2-5)式求出解析解壓

力 P若 P 值愈接近 1Pa則表示分析計算出之振膜中心變形量愈準

確

解析解計算如下表示(單位MKS 制)

令 mRd610500 PaEd

910150 mhd6103 30v

mH 61010 mL 61020 9103390ow

由 ANSYS 分析計算出皺折振膜在受壓力 1Pa 情形下之中心變形量代

入(2-5)式得壓力 P 約為 092Pa與 ANSYS 計算之 1Pa 相差約 8

仍在合理範圍內由此即驗證 ANSYS 分析計算與解析解之一致性

因此本研究將進一步針對更複雜的結構之皺折振膜利用 ANSYS 分

析振膜之機械感度與第一共振頻率分析結果在第三章將有詳細探

討

一般在設計製作麥克風中同時受制於結構設計與製程參數的規

格及物理限制因此在振膜及結構厚度參數往往固定而針對另一參

數作最佳化設計(如在固定尺寸面積的振膜狀況下進行結構厚度的

設計如固定結構厚度之規格條件下進行最佳振膜面積尺度之設

計)

因此依據下列的設計方向以微機電製程來得到最大電容式麥克

風靈敏度之設計規格需求

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

12

為了提高振膜之機械感度(中心變形量)可針對幾何結構將傳統

的平面振膜變更為皺折振膜並探討皺折尺寸與個數對於機械感

度之影響找出最佳參數

在薄膜沉積過程中會因高溫製程而產生殘留應力所以為達到

較低的殘留應力需求較薄的振膜厚度配合熱退火處理來降低振

膜的殘留應力

由於振膜與背板間存在一電場當兩者距離愈近(空氣間隙層愈小)

則背板所感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強然而振膜

受靜電力影響會使振膜產生預變形空氣間隙層愈小振膜預變形

則愈大使振膜變形空間受限造成機械感度降低甚至會貼附於背

板因此必須在空氣間隙層與振膜機械感度兩者關係中試圖找

出最佳值

在微機電製程規格精密微小化之前提下設計合理及最小尺寸振

膜面積以達到麥克風需求之感度

因應上述幾點麥克風設計原則表 2-1 為本論文經由初步的分析

而得到之最佳化設計參數及規格輸出值

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

13

第三章 矽麥克風振膜之模態分析

在本研究中由於在皺折振膜上設計外加電橋結構以幫助振膜中

心訊號導出但是在理論計算中無法考慮外加電橋結構條件因此在

本章節中針對不同皺折形式之振膜作詳細模態分析(1)全皺折(2)局

部皺折(五個皺折)(3)全皺折外加電橋(4)局部皺折外加電橋利用

ANSYS 泛用型分析軟體選定四種不同形式的皺折振膜在無預應力及

含有 50MPa 預應力兩種條件下探討皺折振膜之機械感度與第一共

振頻率並與平面振膜比較之間的差異

3-1 分析理論

在有限單元數值計算方法上又可分為直接分析法(Direct Method)

與特徵模型分析法(Modal Method)[17]直接分析法是將耦合的運動方

程組直接解出來而特徵模型分析法則用自然振動的特徵模型將耦

合的運動方程組轉換成各特徵模型的運動方程式解出來之後再將

各特徵模型的結果加起來由於自然振動的特徵值 Eigen-value 個數

通常遠小於時間或頻率的步數因此特徵模型分析法計算速度往往較

快速有限單元分析基本架構可表示為

負載－應力關係 ][ AF （3-1）

其中F代表負載[A]代表受力面積矩陣 代表單位面積有效應

力

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

14

應力－應變關係 ][ B （3-2）

其中 代表單位面積有效應力[B]代表物體材料楊氏係數ε代

表應變

應變－位移關係 ][ xC （3-3）

其中ε代表應變[C]代表物體原長度之倒數x代表位移變化量

則負載－位移關係可表示為

]][][[ xCBAF （3-4）

令 ][]][][[ KCBA

則 ][ xKF

若考慮時間及物體質量和阻尼之影響且受一諧波力 (harmonic

force)即 tiePF )(

則控制方程式可表示為

tiePtxKtvBtaM )()(][)(][)(][ (3-5)

其中[M]代表單元質量矩陣[B]代表黏滯阻尼[K]代表剛度矩陣

a代表加速度向量v代表速度向量x代表位移向量均

為時間的函數

將複數的位移向量寫成 )()( 0 uextx ti則上式可寫成

)()(][ 2 PuKBiM (3-6)

上式中令 )(P =0 解出ω之特徵值代入(3-5)式則可求出共振頻率

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

15

3-2 振膜尺寸設計[1618]

如圖 3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜邊長( da )為

1mm厚度( dh )為 1μm材質為氮化矽振膜與背板間有一 3μm 之

空氣間隙層( ah )振膜熱脹係數 61061 1Co 楊氏係數為

150GPa蒲松比 023對平面振膜而言當振膜四邊為固定端時

溫度差 CT o833145 可產生 50MPa 預應力且均勻分佈於振膜

本研究探討含有預應力 50MPa 之皺折及平面振膜受 1Pa 聲壓(+1Pa

或-1Pa)所造成之變形量(機械感度)圖 3-2 為本文設計之振膜複合層

結構示意圖不同皺折形式振膜之截面及尺寸如圖 3-3 所示(a)為皺

折距邊界 50μm 之局部皺折(五個皺折)振膜以 NO2 表示(b)為皺

折由邊界起始之局部皺折振膜以 NO3 表示含有電橋為 NO4(c)

為全皺折振膜以 NO5 表示含有電橋為 NO6上述之有限單元分

析模型與結果如圖 3-4 至圖 3-9 所示各種形式之振模完整分析結果

列於表 3-1以下將針對分析結果作一詳細說明

3-3 分析結果討論

3-3-1 皺折對機械感度之影響

由圖 3-4 及圖 3-5 可知氮化矽平面振膜四端邊界為固定端時

受溫度差 14583可產生約 50MPa 預應力均勻分佈於振膜表面而

皺折振膜受相同溫度差所產生的預應力並非均勻分佈於振膜表面由

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

16

於結構在幾何形狀改變處(皺折部分)易產生應力集中現象最外圈皺

折處最接近振膜固定端較內圈皺折不易變形來釋放應力所以最大預

應力發生在振膜對角線上之最外側皺折處而皺折內圈振膜之預應力

幾乎為零由此可知皺折雖然不能完全降低整體預應力但卻可有

效局部降低皺折內圈振膜之預應力因此表一含有預應力之皺折振

膜其機械感度均較含有預應力之平面振膜為高以 NO1 與 NO2

為例當振膜含有預應力時由於皺折振膜整體預應力較低所以機

械感度(2262nmPa)較平面振膜佳(138nmPa)相差約 164 倍然而

在振膜無預應力之條件下皺折振膜之機械感度反而較平面振膜為

低其原因為皺折振膜由於結構上的幾何變化使得作用於振膜之正

向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感度

較低

在薄膜理論中四邊固定之四方形薄膜其共振頻率為

dddd aaf

21

2 2 (其中σ為預應力 da 為薄膜邊長 d 為

薄膜密度)預應力越低第一共振頻率越低由表 3-1 可知含有

預應力的條件下皺折振膜由於整體預應力較低所以皺折振膜之第

一共振頻率(28769Hz)遠低於平面振膜(107416Hz)皺折結構可明顯降

低振膜之第一共振頻率

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

17

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響

由圖 3-5 與圖 3-6 可知由於 NO3 振膜皺折外圈連接於邊界(固

定端)無提供應力釋放的空間因此應力集中效應較大最大預應

力則發生於靠邊界最近之外圍皺折皺折內圈振膜之預應力幾乎為

零由於 NO3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO2 振膜所以 NO3

振膜整體的平均預應力小於 NO2 振膜其機械感度較 NO2 振膜高

有皺折之振膜受聲壓產生振動時皺折圈內的振膜為主要振動部分

當振膜面積愈大時共振頻率愈低由於 NO3 振膜皺折由邊界開始

皺折圈內的振膜面積較 NO2 振膜為大因此共振頻率較低第一共

振頻率由 28769Hz 降為 25098Hz

3-3-3 電橋對機械感度之影響

1 局部皺折振膜

由圖 3-6 與圖 3-7 可知在振膜皺折處外加電橋之後預應力則

集中於電橋處最大預應力發生在電橋最外側由於振膜上外加一電

橋使得振膜結構變形處增加因此 NO4 振膜應力集中效應較 NO3

振膜明顯使整體平均預應力較大因而機械感度降低由表 3-1 可

知不含電橋之 NO3 皺折振膜的機械感度為 414nmPa含電橋之

NO4 皺折振膜的機械感度為 1172nmPa

由於 NO4 振膜之整體預應力較 NO3 振膜為高由共振頻率公

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

18

式dda

f21

中f 與σ成正比當σ愈大則 f 愈高因此 NO4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO3 振膜(25098Hz)

2 全皺折振膜

由表一比較 NO5 與 NO6 振膜可知當振膜為全皺折形式時

含有電橋之振膜不論是否含有預應力其機械感度均較不含電橋之全

皺折振膜佳且第一共振頻率亦較低含有電橋之全皺折 NO6 振膜第

一共振頻率為 32814Hz不含電橋之全皺折 NO5 振膜第一共振頻率

為 41736Hz

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響

1 不含電橋振膜

由圖 3-6 與圖 3-8 可知NO3 與 NO5 振膜皺折外圈預應力之大

小與分布均相似在 NO3 振膜中因為有許多皺折圈會降低內圈的

預應力所以在皺折內圈處預應力幾乎為零且整體平均預應力比

NO5 振膜小但是由於 NO3 振膜比 NO5 振膜有較多結構上的幾何

變化使得作用於振膜之正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本

正向壓力小因而機械感度較低由 414nmPa 降為 6nmPa在共振

頻率方面NO5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO3 振膜許

多因此 NO5 振膜有較高的共振頻率第一共振頻率由 25098Hz 提

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

19

升為 41736Hz

2 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知NO6 在外加電橋與增加皺折數的條件

下雖然電橋部分會提高整體平均預應力然而皺折圈更能有效的降

低內圈的預應力因此 NO6 振膜平均預應力小於 NO4 振膜但是

由於 NO6 振膜皺折圈數較多受結構幾何變化影響作用於振膜之

正向壓力在量測機械感度方向之分力較原本正向壓力小因而機械感

度較低由共振頻率dda

f21

中可知 NO6 振膜的預應力(σ)

較 NO4 小所以共振頻率較低第一共振頻率由 37627Hz 降為

32814Hz

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響

由圖 3-14 及圖 3-15 顯示當振膜本身含有靜電位時振膜之機

械感度較無靜電位之振膜為大靜電位越高機械感度提昇越明顯

此原因可能由於振膜受靜電力變形是處於一種較不穩定狀態(靜電力

隨距離而變)靜電力越高此種現象越明顯另外不論是否有靜電

力作用含有預應力之皺折振膜其變形量遠大於平面振膜因此皺

折振膜之機械感度較平面振膜佳以振膜承受 26V 之靜電位為例(此

時皺折振膜與平面振膜有相同的振膜中心預變形 065μm)皺折振膜

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

20

之機械感度為 358nmPa平面振膜為 23nmPa相差約 156 倍

由上述分析之振模機械特性結果可得到以下結論

1 皺折對振膜感度之影響在無預應力情形下平面振膜之機械感

度較皺折振膜之機械感度佳而當振膜含有預應力的情形時則

皺折振膜之機械感度遠較平面振膜佳此外含有預應力之振膜

皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻率

2 皺折與邊界距離對振膜機械感度之影響不論皺折振膜是否含有

預應力皺折直接由邊界開始之振膜機械感度較佳且第一共振

頻率及最大預變形較低

3 電橋對振膜機械感度之影響局部皺折皺折振膜在無預應力情形

下電橋結構有助於振膜之機械感度當皺折振膜含有預應力時

則電橋結構會使皺折振膜之機械感度降低而皺折振膜之第一共

振頻率及最大熱應力亦會明顯提高全皺折振膜含有電橋結構

時不論是否含有預應力振膜機械感度均較不含電橋之權皺折

振膜佳且第一共振頻率亦較低

4 局部皺折與全皺折對振膜機械感度之影響對於不含電橋之局部

皺折振膜不論是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜

佳且第一共振頻率較低對於含有電橋之局部皺折振膜不論

是否含有預應力振膜機械感度均較全皺折振膜佳但第一共振

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

21

頻率及最大熱應力亦較高

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

22

第四章 駐極體電容式麥克風之製程

本論文應用駐極體材料矽技術微機電系統技術及麥克風技

術研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結

構應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上其元件製作將

採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構且將麥克風所需要之阻抗匹配

之元件mdash場效電晶體結合半導體製程技術微機電技術整合製作成

型將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶

片)微小化及節省組裝費用在設計上更具有彈性更可獲得較佳

之性能同時由於本研究之駐極體材質為高分子材塗層於振膜上可

以提供麥克風所需的靜電荷量又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡

失真

4-1 製程設計[1618]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1應用爐管對晶圓進行 434 NSiNSix 沉積 (Rich-Nitride

Diffusion)

Step 2應用爐管對晶圓進行氧化沉積 2SiO 而形成所需求的振膜

Step 3 應用濕式及乾式蝕刻成所需要之結構振膜 (厚度

1000~2000oA 面積1mm2)

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

23

Step 4振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

Step 5為使麥克風為駐極體電容式型式所以將駐極體材料(PTFE

FEPAFBCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後對駐極體材

料進行充電(corona ion beam charge 方法)作用使得電荷常

駐於駐極體材料而避免電荷脫離

Step 6應用 coater光罩等設備進行微影製程利用高絕緣材(如 PI

材料厚度 m10~3 )形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer

4-1-2 背板晶片製程

Step 1MOSFET 製作並作表面保護

Step 2應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層

Step 3應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺

寸 )5050( mm 數量(10times10 矩形陣列排列1mm2)厚度規

格 )200~10( m

Step 4 應用濕式及乾式蝕刻成所需要 Back-chamber 空間規格

( 31~20 mm )

Step 5 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變

化時為將訊號順利傳遞出來所以應用 Sputter 設備使得振

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

24

膜上沉積一層電極層(金或鋁)

4-1-3 外殼製程

將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配

結合及配合使用者之需求而有 SMT 型式及 PIN 接型式外型

4-2 製程結果討論

4-2-1 振膜晶片製程結果

表 4-2 為本研究規劃 SiO2Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振

膜材料 SiO2Si3N4厚度分別為 I1000oA 1000

oA II750

oA 750

oA

III500oA 500

oA )藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振

膜之剛性之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風

圖 4-2 為振膜晶片製作流程圖首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形

狀再沉積 SiO2Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料最後以 KOH 蝕

刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形振膜晶片製作完成後利用旋

轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上並應用旋轉塗佈機光罩等

設備進行微影製程在振膜晶片上以 PI 為材料製作空氣間隙層

(spacer)振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均

勻皺折結構平整完好並無斷裂現象產生振膜中心與邊界高度一

致電訊號可順利由振膜中心導出並無電極斷線問題

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

25

圖 4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖由圖中可觀

查出完成之振膜與設計規格相符合外觀相當平整皺折與電橋處並

無崩裂現象由圖 4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有

應力集中現象並有相當明顯的預變形產生此種現象是由於熱製程

所產生之殘留應力應力過大則使振膜感度降低為了能減少殘留應

力在製程中必須藉由調整 LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例溫

度壓力及時間等參數並利用熱退火處理來降低殘留應力另外

在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結

構來消除應力集中現象使振膜愈變形量降低但是反而會產生振膜

感度降低及訊號無法輸出等新問題空氣間隙層(spacer)製程結果由

圖 4-5 可看出外觀相當平整並無發生脫層或崩裂現象

4-2-2 背板製程結果

圖 4-6 為背板晶片製作流程圖背板晶片是以矽晶圓為材料應

用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔圖 4-7 為背板晶片光學顯微

鏡圖像背板開孔設計以 10times10 陣列方式排列面積 1mm2孔洞大

小 50μmtimes50μm開孔率約為 25由圖中可觀察出背板晶片結構

與設計相符並無缺陷或雜質存在

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

26

4-3 第一共振頻率量測

振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬為了探討製程後振膜

之預應力與第一共振頻率的關係本研究應用工業技術研究院材料所

架設之量測機構分別針對振膜編號 IIIIII 量測共振頻率由第

一共振頻率值探討振膜機械性質

量測架構如圖 4-8 所示將振膜晶片固定於量測平台上入射聲

壓由揚聲器提供寬頻聲波運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler

VibrometerInterferometer LDV)將雷射光照射在振膜表面由於振膜

反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異而其頻率變化正

比於振膜運動速度再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示

其共振頻率曲線量測結果如圖 4-9 所示振膜編號 I 之第一共振頻

率約在 40kHz振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz振膜編號

III 之第一共振頻率約在 36kHz由以上結果可知振膜厚度與共振頻

率成正比當振膜厚度愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅

愈大則週期愈大因此共振頻率愈低且機械感度愈大因此採用厚

度最薄的振膜編號 III (OxideNitride500oA 500

oA )做為本研究麥克風

封裝之振膜

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

27

4-4 駐極體電容式麥克風封裝

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用

為了使麥克風為駐極體電容式形式本研究應用氟系高分子材當

駐極體材料利用 Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon AF)產生於振膜

上然後對駐極體材料進行充電作用使得電荷常駐於駐極體材料

成為永久性電極本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖

4-10 所示提供高電壓場對駐極體材料予以極化使振膜上之 AF 膜

帶一靜電壓由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大因此

必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現本研究設定不一樣靜電壓條

件下量測振膜之感度其結果如圖 4-11 所示駐極體靜電壓與振膜

機械感度成正比關係當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時則背板所

感應的電壓變化愈大所輸出之訊號則愈強但由於駐極體靜電壓會

使振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過一

臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低因此必須在駐極

體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中試圖找出最佳值由圖中可觀

察出在空氣間隙層 3μm 條件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V

可以達到最佳感度在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

28

4-4-2 麥克風封裝

如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖將振膜晶片與背

板晶片精確對齊壓合並於接合處以膠合固定整合矽麥克風晶片及

類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上如圖 4-14圖 4-15

所示封裝完成後之矽麥克風成品如圖 4-16 所示

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

29

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測

本研究在量測方面是利用工業技術研究院材料所與台灣大學應

用力學研究所架設之壓力與變形裝置針對平面振膜與皺折振膜以靜

態模式來量測評估皺折振膜之機械感度並與模擬分析值做一比較與

討論以驗證分析值之準確性並將封裝完成之麥克風以動態感度量

測以評估其性能

5-1 靜態感度量測[21]

靜態感度量測是應用台灣大學應用力學研究所架設之 Fotonic

Sensor 量測架構圖 5-1 為架構示意圖將皺折振膜晶片置於氣密腔

體(Airtight Chamber)上方開孔處由氣壓幫浦(Air Pump)打氣入氣密

腔體內使置於氣密腔體上方之皺折振膜因注入不同氣壓而變形記

錄氣壓計(Pressure Gauge)之壓力並運用置於皺折振膜上方之 Fotonic

Sensor 偵測回光量來量測麥克風振膜中心變形量為驗證本裝置量測

結果將與 WYKO 白光干涉儀(White Light Interferometry圖 5-2 所

示)量測結果做比較以驗證本量測架構之準確性

平面振膜機械感度量測結果如表 5-1 與圖 5-3 所示由本裝置量

測結果發現平面振膜在腔體壓力-200~1000Pa 時其機械感度約在

07~09nmPa 之間平均值約 08nmPaWYKO 白光干涉儀量測平

面振膜感度之結果如表 5-2 所示圖像掃描之結果如圖 5-5 所示可

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

30

發現平面振膜之機械感度平均約 077nmPa與本裝置運用 Fotonic

Sensor 量測結果非常接近因此本研究將進一步利用自行架設之裝

置配合 Fotonic Sensor 量測皺折振膜之機械感度運用本裝置量測皺

折振膜在不同腔體壓力下之機械感度結果如表 5-3 與圖 5-4 所示其

機械感度約 48nmPa比相同面積大小(1mmtimes1mm)之平面振膜高約 6

倍皺折振膜之機械感度遠大於平面振膜由此可知當製作麥克風

振膜時振膜存在無可避免之殘留應力下含有皺折之振膜其機械

感度將遠優於平面振膜

5-2 動態感度量測

動態感度量測是利用工業技術研究院所架設之量測機構圖 5-6

為麥克風感度量測裝置示意圖將量測機構置於無響室中以防止實驗

過程中受噪音及迴音干擾影響量測結果為了不影響信號基本特

徵使訊號通過而未加以更動因此必須串接被動元件如圖

5-7 所示外部提供麥克風 30 伏特工作偏壓串接前置放大器

(Pre-Amplifier)可將麥克風之電容變化量轉換為電壓訊號放大輸出至

音頻分析儀(Audio Analyzer)紀錄並顯示其頻率響應曲線麥克風入射

聲壓則利用揚聲器產生

量測結果由圖 5-8 所示矽晶麥克風在 30 伏特偏壓驅動下頻

率在 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦平均感度值約為-65dB

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

31

凸波約在 10dB 範圍上下振盪與市售指向性麥克風(ψ6mm mini

microphone)比較其感度曲線顯示本研究設計之麥克風針對感度提

昇仍需從許多方面做探討

由靜態模式實際量測振膜機械感度結果與模擬分析值做比較平

面振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 138nmPa 與

077nmPa皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為

1172nmPa 與 48nmPa結果顯示仍有些差距探討主要原因在於振

膜機械感度之模擬分析是在含有 50MPa 預應力條件下然而在實際

製作之多晶矽振膜卻無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機

械感度降低此為影響麥克風感度主要原因

另外在動態量測麥克風感度方面振膜在麥克風封裝前於駐極

體靜電壓-33V空氣間隙層 3μm在頻率 1kHz 處感度約為-59dB

而封裝後之感度約為-65dB因此在麥克風封裝後結構產生之電容值

以及外部串接之阻抗匹配電路皆會影響麥克風性能

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

32

第六章 結論與未來展望

6-1 結論

本研究應用矽技術微機電系統技術及麥克風技術建構出完整

電容式矽麥克風製作與量測方法製作出面積 1mmtimes1mm 厚度在

1μm 以下之皺折振膜並應用駐極體材料於振膜上以降低電容式

矽麥克風之外部提供偏壓由本研究之結果得到以下結論

1 振膜上增加皺折結構可有效局部降低皺折內圈振膜之預應力增

加振膜中心變形量提高感度因此在有預應力之情形下由模

擬分析與實際量測結果顯示皺折振膜之機械感度遠優於平面振

膜約為 6 倍以上此外皺折結構可明顯降低振膜之第一共振頻

率

2 製作完成後振膜之第一共振頻率約為 35~42kHz可用頻寬相當寬

廣由量測結果可知振膜厚度與共振頻率成正比當振膜厚度

愈薄則剛性愈小受音壓而產生相對應之振幅愈大則週期愈大

因此共振頻率愈低且機械感度愈大

3 駐極體靜電壓與振膜感度成正比關係但由於駐極體靜電壓會使

振膜產生預變形靜電壓愈大振膜預變形則愈大當靜電壓超過

一臨界值反而使振膜感度降低因此在本研究設計間隙層 3μm 條

件下駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度在頻

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

33

率 1kHz 處感度約為-59dB

4 本研究所運用之 Fotonic Sensor 量測架構與 WYKO 白光干涉儀量

測結果有良好一致性可以作為往後量測矽麥克風振膜機械感度

之依據

5 量測結果與模擬分析值做比較平面振膜機械感度之模擬分析與

實際量測值分別為 138nmPa 與 077nmPa皺折振膜機械感度之

模擬分析與實際量測值分別為 1172nmPa 與 48nmPa結果顯示

仍有些差距影響麥克風感度主要原因是實際製作之多晶矽振膜

無法達到低應力的需求預應力過大造成振膜機械感度降低

6-2 未來展望

由於薄膜機械性質隨著製程產生變化未來我們希望針對製程改

良製作出低應力振膜(殘留應力 50MPa 以下)將感度提升以達到設計

之需求此外將振膜晶片背板晶片與 JFET 整合於同一晶片上

可降低雜訊干擾並依據麥克風規格設計外接阻抗匹配電路藉由訊

號處理將環境噪音過濾與信號放大提高噪訊比(SN)製作出高性

能矽晶麥克風並依其原理發展微致動器微感測器將其應用於通

訊器材筆記型電腦數位產品助聽器hellip等相信將會在未來 3C

產業佔有很大的市場

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

34

圖 1-1 PRScheeper et al 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]

(a)

(b)

圖1-2 PC HsuCh Mastrangelo et al單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖

(a)結構截面圖 (b)振膜上視圖[9]

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

35

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

36

S(mvPa)

dF uF Frequency(Hz)

圖 2-3 麥克風感度曲線[16]

圖 2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖[1]

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

37

a

a hh

h

d

bh

da

ba

h w

backplate

diaphragmairgapspacer

back chamber

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[1618]

Si

350u

m

1000um

2000um

10X in vertical

Components of the Diaphragm

Real scale of the diaphragm pattern

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖[19]

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

38

100

440

90

500

10

10

50

10

60

400

360

5+1

Unitum

10

10500

500

5+1

5+1

(a) No 2

(b) No 34

(c) No 56

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

39

圖 3-4 平板振膜（NO1）四分之一模型及應力分佈圖[19]

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

40

圖 3-5 皺折振膜（NO2）四分之一模型及應力分佈圖[19]

50um

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

41

圖 3-6 No3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

42

圖 3-7 No4 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折含電橋) [19]

電橋

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

43

圖 3-8 No 5 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折) [19]

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

44

圖 3-9 No6 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(全皺折含電橋) [19]

電橋

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

45

圖 3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

圖 3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖[19]

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

46

圖 3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

圖 3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

47

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Flat Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

48

0 4 8 12 16 20 24 28Bias Voltage (V)

-10

-05

00

05

10

Pre-

cent

er D

efle

ctio

n (u

m)

20

25

30

35

40

Cen

ter D

efle

ctio

n (n

m)

Corrugated Diaphragm

Pre-center Deflection

Center Deflection

圖 3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖[19]

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

49

圖 4-1 駐極體電容式矽晶麥克風設計製作流程圖

麥克風結構設計 振膜設計

結構設計

模態分析 平面振膜

皺折振膜

製程設計

振膜晶片製程

振膜 電極 空氣間隙層 駐極體

外殼製程 背板晶片製程

背板 電極 背氣腔 場效電晶體 PCB 電路板

組裝

機械感度量測 靜態感度量測

動態感度量測

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

50

Step 1 Si

Step 2

2SiO

Step 3

光阻

Step 4

電極

Step 5

駐極體

Step 6

Spacer

圖 4-2 振膜晶片製作流程圖[1618]

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

51

(a) (b)

圖 4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [2021]

(a)皺折結構截面圖

(b)單一皺折放大圖

5μm

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

52

(a) (b)

圖 4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [2021]

(a) 振膜尺寸圖

(b) 四端電橋處應力集中現象

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微鏡圖像[20]

1mm

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

53

Step 1

MOS-FET

Step 2

Step 3

光阻

Step 4

Step 5

電極

圖 4-6 背板晶片製作流程圖[1618]

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

54

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]

圖 4-8 共振頻率量測架構圖[20]

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

55

(a)皺折振膜 I

(b)皺折振膜 II

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

56

(c)皺折振膜 III

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線[20]

圖 4-10 電暈放電機構[25]

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

57

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響[20]

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係[20]

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

58

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖[20]

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖[20]

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

59

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC[20]

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風[20]

NS(analog amplifier IC)

Silicon Microphone Microphone shell

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

60

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]

圖 5-2 WYKO 白光干涉儀[21]

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

61

Sm-P

0

01

02

03

04

05

06

07

08

09

1

-200 0 200 400 600 800 1000

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

Sm-P

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200

P(Pa)

Sm

(nm

Pa)

腔體氣壓

圖 5-4 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜對不同腔體壓力下之機械感度[21]

機械感度

機械感度

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

62

(a)0Pa (b)190Pa (c)315Pa (d)448Pa

(e)565Pa (f)798Pa (g)910Pa (h)0Pa

(i)-270Pa (j)-430Pa (k)-540Pa (l)-660Pa

(m)-765Pa (n)-1054Pa

圖 5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜) [21]

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

63

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

64

黑線 BampK Standard Microphone 校正感度曲線(-372dB) 藍線 Electret Silicon Condenser Microphone 感度曲線(-65dB) 紅線 市售指向性麥克風感度曲線(-41dB)

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度曲線[20]

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

65

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較[15]

動圈式麥克風 電容式麥克風

設計原理

利用電磁發電原理將音圈搭載於

振動膜上再置於磁鐵的磁場間

把振動膜感應的聲音經由音圈間

接轉換為電能訊號

利用電容器充放電原理由超薄的

金屬或電鍍塑膠材質的振動膜以

感應的音壓改變兩電極間的靜電

壓直接轉換成電能訊號

振膜

動圈式的振動膜因必須負載比本身

重達百倍以上的音圈於是厚度不

能用得太薄所以整個振動系統的

總重量比電容式大千倍以上

振動膜的厚度約只有動圈式的十分

之一總重量約千分之一以下以

如此輕薄的振動膜直接感應音壓

在頻率響應暫態響應靈敏度及

觸摸雜音等都展現極優越的特性

音圈 應用振動膜上負載的音圈將感應的

音壓轉換成電能訊號的主要元件

不需要音圈

訊號輸出 直接由音圈輸出或連接阻抗耦合變

壓器輸出 由真空管或場效電晶體（FET）阻抗

變換器將訊號耦合輸出

偏壓 不需要提供任何偏壓 必須提供極間電壓及變換器的工作

電壓

頻率響應

因振動膜較厚及音圈的重量較重

使高音域無法延伸又因音圈的阻

抗值隨頻率的下降而衰減低頻響

應亦隨之急遽衰減使用耦合變壓

器者特性更會劣化

因振動膜非常輕薄能直接將感應

音壓轉換電能訊號輸出所以頻率

響應非常寬廣而平坦可以由數 Hz的超低頻延伸到數 10KHz 的超音

波

靈敏度 由於厚重的振動膜及音圈的圈數無

法提高對微弱的聲音感應遲鈍

振動膜極為輕薄又沒有音圈的負

載所以對極微弱的聲音感應非常

靈敏

暫態響應特性

（Transient Response）

振動膜及負載的音圈總重量比電

容式大千倍以上對音壓的反應遲

鈍有如滿載的貨車起跑及煞車

的動作遲鈍因此暫態響應時間較

長

暫態響應的快慢決定在振動膜的輕

重因振動膜極為輕薄對音壓的

反應快速就像空載的跑車起跑

及煞車的動作展現快速靈活因此

暫態響應時間較短

音色 因暫態響應特性較慢音色展現較

為圓滑柔潤曚霧使原音有柔

化的感受

因暫態響應特性較快音色展現極

為清晰亮麗細膩使原音能以

銳利的高解析度重現 體積重量 體積大重量重的缺點 具有超小型的優點

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

66

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表[1618]

設計參數 Value 振膜邊長 a 1mm 振膜厚度 t 1μm 振膜材料之殘留應力 50MPa 空氣間隙層厚度 d 3μm 背板結構中之孔洞所佔據的表面積 018 背板厚度 h 1μm 振膜材料 Poly SiGe 振膜材料之楊氏模數 E 111051 蒲松比 023 背板材料 Silicon Nitride 基材 N-Si 靈敏度 at 1 KHz S 52mVPa 截止頻率 18 kHz

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

67

表 3-1 不同振膜之分析結果[19]

編號 NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 振膜形狀 無皺折(平板) 五個皺折 五個皺折 五個皺折(含電橋) 全皺折 全皺折(含電橋)

說明 皺折距邊界

50μm

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

皺折由邊界

開始

無預應力之機械感度(nmPa) 9214 2962 4140 5688 601 1958 含預應力之機械感度(nmPa) 138 2262 4140 1172 600 1000 含預應力之中心預變形(nm) 000 71010 5547 8803 71687 121100 含預應力之第一共振頻率(Hz) 107416 28769 25098 37627 41736 32814

最大熱應力(MPa) 50 80 889 393 89 270

最大熱應力發生處 均勻分佈於振膜 振膜對角線上

之最外圍皺折

靠邊界最近

之外圍皺折 最外側電橋

靠邊界最近

之最外圍皺折最外側電橋

最大預變形量(nm) 000 95099 66815 28477 71687 121100

最大預變形發生處 無 振膜對角線上

之皺折

振膜對角線上

之皺折 最外側 bridge 振膜中心 振膜中心

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表[19]

含皺折 皺折由邊 含電橋 參數

狀況 界開始 局部皺折 全皺折

無預應力 - + + +

有預應力 + + - +

ps +表示有助於機械感度-表示無助於機械感度

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

68

表 4-1 振膜複合層材料特性

Material type Thickness (μm) Youngs modulus Thermal expansion coeff

Si 350 130G 320E-06

Al 02 70G 250E-05

SiO2 02 73G 550E-07

Si3N4 08 150G 160E-06

Teflon 1 03G Null

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數

振膜編號 I II III

SiO2 1000oA 750

oA 500

oA 材

質 Si3N4 1000

oA 750

oA 500

oA

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

69

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值[21] P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 165 P(Pa) 165 070 710 0 545 073 143 165 -567 086 929 710 786 082 500 143 -429 085 -116 929 -616 088 395 500 511 083 760 -116 365 079 920 395 160 063 45 760 -875 085

-129 920 -174 090 403 45 532 083 586 -129 183 071 860 403 274 078 367 586 -493 086 -59 860 -426 086

表 5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值[21]

ht(nm) P(Pa) d P Sm(nmPa)240 0 390 190 150 190 079 490 315 250 315 079 580 448 340 448 076 640 565 400 565 071 840 798 600 798 075 970 910 130 112 116 210 -270 -30 -270 011 40 -430 -200 -430 047 30 -540 -10 -110 009 40 -660 10 -120 008

-170 -765 -410 -765 054 40 -867 -200 -867 023

-180 -1054 -420 -1054 040

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

70

表 5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值[21]

P(Pa) d P Sm(nmPa)

0 101 -000080 101 789 350 -000121 249 485 770 -000193 420 461 1030 -000088 260 340 492 000225 -538 419 -366 000458 -858 534 -168 -000108 198 543 400 -000310 568 546 598 -000090 198 452 880 -000118 282 419 631 000102 -249 410 730 -000041 99 419 168 000283 -562 504 309 -000079 141 560 1010 -000308 701 439 152 000391 -858 455

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值[21]

f(Hz) dB d(nm) P(Pa) Sm (nmPa)

25000 12530 15000 40582 037 50000 13040 21600 107978 020 100000 13180 15500 141254 011 200000 12380 17170 30432 056

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

71

參考文獻

1 Patrick RScheeper Wouter Olthuis and Piet Bergveld The design

fabrication and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst vol 3no 1pp 36-42 1994

2 History of microphone

httpuserspandorabeoldmicrophonesgeneral_technical_informati

onhtm

3 D Hohm and R Gerhard-Multhaupt Silicon-dioxide electret

Transducer J Acou Soc Am 75 pp 1297-1298 1984

4 RS Hijab and RS Muller ldquoMicromechanical thin-film cavity

transducer applicationrdquo IEEE Transducers rsquo85 pp178-181 1985

5 A J Sprenkels R A Groothengel AJ Verloop and P Bergveld

Development of an electret microphone in silicon Sensers and

Actuators 17 pp 509 ndash512 1989

6 JH Jerman ldquoThe fabrication and use of micromachined corrugated

silicon diaphragmsrdquoSensors and Actuators Avol A21-A23

pp988-992 1990

7 P R Scheeper A G H van der Donk WOlthuis and PBergveld

Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer

technology J Micro- electromech Syst 1 No 3 pp21-27 1992

8 P R Scheeper W Olthuis and P Bergveld The design fabrication

and testing of corrugated silicon nitride diaphragms J

Microelectromech Syst 3 No 1 pp36-42 1994

9 PC HsuCh Mastrangeloand KD Wise ldquoA high sensitivity poly-

silicon diaphragm condenser microphonerdquo IEEE proceedings of

MEMS98 pp580-585 1998

10 J J Bernstein and J T Borenstien ldquoA micomachined silicon

condenser microphone with on-chip amplifierrdquo Solid-State Sensor

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

72

and ActuatorWorkship pp239-243 1996

11 J Bergqvist and F Rudolf ldquoA silicon condenser microphone using

bond and etch back technologyrdquo Sensors and Actuators A vol45

pp115-124 1994

12 W Kuhnel and G Hess ldquoA silicon condenser microphone with

structured back plate and silicon nitride membranerdquo Sensors and

Actuators A vol30 pp151-158 1992

13 M Pedersen W Olthuis and P Bergveld ldquoA plymer condenser

microphone on silicon with on-chip CMOS amplifierrdquo 1997 Int

Conf Solid-State Sensors and Actuators(Transducers 97)

pp445-446 1997

14 W H Hsieh T -YHsu and Y ndashC Tai ldquoA micromachined thin-film

Teflon electret microphonerdquo 1997 Int Conf Solid-State Sensors and

Actuators(Transducers 97) pp425-428 1997

15 Michael Grayford ed Microphone engineering handbook 1994

16 李芳慶陳有圳ldquoThe Particable Report for the Development of

DHA-SoC工業技術研究院工業材料研究所技術報告2003

17 賴育良林啟豪謝忠祐ldquoANSYS 電腦輔助工程分析rdquo儒林圖

書有限公司台北市1997

18 姜達銘楊宗龍ldquo駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法rdquo 中

華民國專利專利證號 1716862001

19 李芳慶陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2003

20 柯文清陳維志ldquo工業技術研究院工業材料研究所工作月報rdquo

2004

21 李芳慶姜達銘鄭志強ldquo矽麥克風振膜之機械感度量測rdquo工

業材料雜誌212 期第 114-116 頁2004

22 William T Thomson ldquoTheory of vibration with applicationsrdquo Forth

edition Prentice-Hall International Inc 1993

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

73

23 Z Skvor ldquoOn the acoustical resistance due to viscous losses in the

air gap of Electrostatic transducersrdquo Acustica 19 pp295-229 1967

24 httpwwwmiprocomtwtech_infoccondenser_best_choice-3asp

25 M Raposo P A Ribeiro J A Giacometti M A Bento J N M

Mendes ldquoEffect of the corona discharge in different atmospheres on

the thermally stimulated charge injection of Teflon FEPrdquo IEEE

pp687-692 1991

26 Zhiping Feng Huantong Zhang KC Gupta Wenge Zhang Victor M

Bright YC Lee ldquoMEMS-based series and shunt variable capacitors

for microwave and millimeter-wave frequenciesrdquo Sensors and

Actuators A 91 pp256-265 2001

27 MR Talaie M Taheri J Fathikaljahi ldquoA new method to evaluate

the voltage-current characteristics applicable for a single-stage

electrostatic precipitatorrdquo Journal of Electrostatics 53 pp221-233

2001

28 Makoto Ikegami Kazuo Ikezaki ldquoEffects of heat treatment on the

charging characteristics of a quaternary ammonium charge control

additiverdquo Journal of Electrostatics 51-52 pp117-123 2001

29 Ovidiu Bajdechi and Johan H Huijsing ldquoA 18-V Σ Modulator

Interface for an Electret Microphone With On-Chip Referencerdquo

IEEE Journal of Solid-state circuits Vol37 NO3 pp279-285 2002

30 MD Migahed MI Abdel-Hamid AM Abo EI Wafa ldquoCorona

charging and pyroelectric behaviour in

acrylonitrile-co-methylacrylate filmsrdquo Polymer Testing 20

pp805-810 2001

31 Xiaoqing Zhang Yewen Zhang Yonggang Pan Zhongfu Xia

Xianghuai Liu Baoqing Li and Zixin Lin ldquoMechanistic Property and

Charge Storage in Amorphous Si3N4 Electrets Film Based on Silicon

by Boron Ion Implantationrdquo Proceeding of The 6th International

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

74

Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials

June 21-26 pp525-528 2000

32 Mika Paajanen Jukka Lekkala Kari Kirjavainen ldquoElectro

Mechanical Film (EMFi)-a new multipurpose electret materialrdquo

Sensors and Actuators 84 pp95-102 2000

33 Houman Amjadi ldquoElectret membranes and backelectrodes for

application in micromechanical transducersrdquo Journal of

Electrostatics 48 pp179-191 2000

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004

75

附 錄

已發表論文

1 Fang-Ching Lee Dar-Ming Chiang Chih-Chiang Cheng Wei-Jhy Chen Chih-Kung Lee ldquoInvestigation of the Mechanical Sensitivity of Silicon Microphone with Flat or Corrugate Diaphragmrdquo Nano Engineering and Micro System technology Conference 2004