Новости науки 19.05.02. Низковольтный малошумящий кремниевый микрофон
В настоящее время ведутся интенсивные исследования по изготовлению
микрофонов на кремниевых подложках с использованием стандартных технологических процессов, что
позволяет снизить стоимость устройства при сохранении высокой чувствительности и низком уровне
шумов. Успех недавно пришел к датским специалистам - им удалось создать миниатюрный
низковольтный кремниевый микрофон.
Рис. 1. Микрофотография 1 х 1мм2 дифференциального
микрофона.
Микрофоны широко используются в голосовой связи, слуховых аппаратах, приборах разведки, для
контроля шума и вибраций. Ведутся интенсивные исследования по изготовлению микрофонов на
кремниевых подложках с использованием стандартных технологических процессов, позволяющих
снизить стоимость устройств при повышенной чувствительности и низком уровне шумов, а также
интегрировать на том же чипе миниатюрные ВЧ-антенны и фильтры. Сотрудники датской фирмы Microtronic A/S разработали конденсаторный микрофон с двумя
симметричными относительно мембраны обкладками. Этот принцип дает удвоение сигнала просто за
счет работы двух обкладок вместо одной, а кроме того поле смещения может быть на 30 % выше, так как
электростатическая сила действует на мембрану с двух сторон и держит ее в нулевом положении.
Преимущества также √ в большей чувствительности, широком линейном динамическом диапазоне и
полосе частот. Датскими специалистами разработан технологический маршрут обработки пластин при
формировании микрофонов с размерами мембран 2 х 2 и 1 х 1 мм2 . Для уменьшения
паразитной емкости мембрана подвешивается на мостиках, по 8 штук на каждой стороне (рис. 1).
Фрагмент микрофона с бо▓льшим увеличением показан на рис. 2. Пробный набор мембран с разным числом слоев и знаком внутренних напряжений позволил выбрать
оптимальную комбинацию с суммарными напряжениями порядка 45 МПа, состоящую из 0.4 мкм
поликристаллического кремния, легированного бором и двух слоев Si3N4 с
полной толщиной 900 A.
Рис. 2. Изображение вертикальных отверстий в мембране, полученное
с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Оценка работоспособности микрофонов проводилась прямо на пластине
с помощью зондов со встроенным малошумящим буферным усилителем.
Полная чувствительность микрофона 2 х 2 мм2 при питании
1.5 В и 1 кГц составила 13 мВ/Па. Измерения были проведены отдельно
для каждой обкладки, было установлено, что нижняя обкладка дает
вдвое меньший вклад в сравнении с верхней из-за различия паразитных
емкостей, не работающих на полезный сигнал (63 % и 17 %). Динамический
диапазон микрофонов на 10 дБ превышает обычный для такой техники
предел 108 дБ. Полное гармоническое искажение сигнала не превышает
0.3 и 1.6 %, соответственно для звукового давления 80 и 100 дБ.
|