發現平面振膜之機械感度平均約 0.77nm/Pa，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 4.8nm/Pa，比相同面積大小(1mm×1mm)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 100Hz~10kHz 之間感度曲線大致平坦，平均感度值約為-65dB，
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 1.38nm/Pa 與 0.77nm/Pa；皺折振膜機械感度之模擬分析與實際量測值分別為 11.72nm/Pa 與 4.8nm/Pa，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。
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 1mm×1mm 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
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 1.38nm/Pa 與 0.77nm/Pa；皺折振膜機械感度之 模擬分析與實際量測值分別為 11.72nm/Pa 與 4.8nm/Pa，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(S/N)，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…等，相信將會在未來 3C 產業佔有很大的市場。
圖1-1 P.R.Scheeper et al. 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖[7]
(a)
(b)
圖1-2 P.C. Hsu,C.h. Mastrangelo et al.單晶矽薄膜電容式麥克風結構圖
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
S(mv/Pa)
F d
F u
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]
a
a h h h
d
b h
dab
h
wa backplate
diaphragm airgap spacer
back chamber
圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖[16,18]
Si 350um 1000um
2000um
10X in vertical
}
Components of the DiaphragmReal scale of the diaphragm pattern
圖3-2 振膜複合層結構示意圖[19]
100
440 90
500
10 10 50
10
60 400
360
5+1
Unit:um
10 500 10
500
5+ 1 5+ 1
(a) No. 2
(b) No. 3,4
(c) No. 5,6
圖3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖[19]
圖 3-4 平板振膜（NO.1）四分之一模型及應力分佈圖[19]
圖 3-5 皺折振膜（NO.2）四分之一模型及應力分佈圖[19]
50um
圖3-6 No.3 皺折振膜四分之一模型及應力分佈圖(五個皺折) [19]
圖3-7 No.4 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
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]
圖3-9 No.6 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
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]
圖3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率[19]
0 4 8 12 16 20 24 28 Bias Voltage (V)
0.0 0.5 1.0
P re-ce nter De flection (u m)
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
Cen te r Defl ec tion (nm )
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]
0 4 8 12 16 20 24 28
Bias Voltage (V)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pre-center Deflect io n (um)
20 25 30 35 40
Cen te r Defl ec ti on (nm )
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]
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
背板晶片製程 外殼製程
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
Step 1.
Si
Step 2.
SiO 2
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[16,18]
(a) (b) 圖4-3 皺折振膜 SEM 顯微截面圖像(振膜編號 I) [20,21]
(a)皺折結構截面圖 (b)單一皺折放大圖
5μm
(a) (b)
圖4-4 皺折振膜光學顯微鏡上視圖像(振膜編號 III) [20,21]
(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
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[16,18]
圖4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像[20]
4-8 共振頻率量測架構圖[20]
(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]
(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]
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]
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]
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
圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖[21]
圖5-2 WYKO 白光干涉儀[21]
Sm-P
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 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
(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]
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
黑線 B&K Standard Microphone 校正感度曲線(-37.2dB) 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]
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。