碩 士 論 文 中 華 大 學

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

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1mm×1mm，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

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……….…i

英文摘要………ii

圖目錄……….I 表目錄………..III 第一章 緒論………1

1-1 前言………..1

1-2 文獻回顧……….2

1-3 研究目標架構……….4

第二章 電容式麥克風之理論分析………..7

2-1 電容式麥克風作用原理……….7

2-2 理論驗證……….10

第三章 矽麥克風振膜之模態分析………13

3-1 分析理論………...13

3-2 振膜尺寸設計………15

3-3 分析結果討論………...15

3-3-1 皺折對機械感度之影響………..15

3-3-2 皺折與邊界距離對機械感度之影響………..17

3-3-3 電橋對機械感度之影響………..17

3-3-4 局部皺折與全皺折對麥克風感度之影響………..18

3-3-5 靜電力對麥克風感度之影響………..19

第四章 駐極體電容式麥克風之製程與量測………22

4-1 製程設計……….………...22

4-1-1 振膜晶片製程……...………...22

4-1-2 背板晶片製程……...………...23

4-1-3 外殼製程…...………...24

4-2 製程結果討論……….………...24

4-2-1 振膜晶片製程結果………..24

4-2-2 背板晶片製程結果………..25

4-3 第一共振頻率量測………...…26

4-4 駐極體電容式麥克風封裝………...27

4-4-1 駐極體材料製作與充電作用………..27

4-4-2 麥克風封裝………..28

第五章 駐極體電容式麥克風之感度量測………29

5-1 靜態感度量測………..………29

5-2 動態感度量測………..………30

第六章 結論與未來展望………..……….………32

6-1 結論………..…………....32

6-2 未來展望.………..…………....33

參考文獻………71

附錄………..………75

圖目錄

圖 1-1 P.R.Scheeper et al. 矽晶電容式麥克風結構剖面側視圖……34

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 (a)結構截面圖(b)振膜上視圖…….………34

圖 2-1 電容式麥克風基本原理示意圖………..…………35

圖 2-2 電容式麥克風之結構示意圖……….……….35

圖 2-3 麥克風感度曲線………..36

圖2-4 複合層皺褶式(corrugated type)振膜示意圖……….………..…36

圖 3-1 矽麥克風截面及展開圖………..………37

圖 3-2 振膜複合層結構示意圖………..37

圖 3-3 不同皺折振膜二分之一截面圖………38

圖3-4 平板振膜（NO.1）四分之一模型及應力分佈圖………39

圖3-5 皺折振膜（NO.2）四分之一模型及應力分佈圖………40

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)………41

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)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)………...43

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)…44 圖3-10 平面振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖……..…45

圖3-11 皺折振膜(四分之一模型)受預應力所產生之變形圖……..…45

圖3-12 平面振膜(四分之一模型)之第一共振頻率………..46

圖3-13 皺折振膜(四分之一模型)之第一共振頻率…..………46

圖3-14 平面振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖……….47

圖3-15 皺折振膜受不同靜電位及 1Pa 聲壓之變形圖……….48

圖 4-1 駐極體電容式麥克風製作流程圖………..………49

圖4-2 振膜晶片製作流程圖………..………..50

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……….……….…51 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)

圖 4-5 空氣間隙層(spacer)光學顯微圖像……….52

圖 4-6 背板晶片製作流程圖…………..……….………...…53

圖 4-7 背板晶片孔洞光學顯微鏡圖像..………54

圖 4-8 共振頻率量測架構圖………...………...54

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 II………55

圖 4-9 皺折振膜之共振頻率曲線(c)皺折振膜 III………56

圖 4-10 電暈放電機構………56

圖 4-11 駐極體靜電壓與感度的影響………57

圖 4-12 頻率在 1kHz 處之感度與駐極體靜電壓的關係………57

圖 4-13 振膜晶片與背板晶片接合示意圖………58

圖 4-14 矽麥克風封裝及側視示意圖………58

圖 4-15 矽麥克風及 analog amplifier IC………..…………59

圖 4-16 封裝完成之矽麥克風………59

圖 5-1 Fotonic Sensor 之量測裝置示意圖………60

圖5-2 WYKO 白光干涉儀……….60

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………..61

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………..61

圖5-5 WYKO 白光干涉儀掃描結果(平面振膜)………62

圖 5-6 麥克風感度量測裝置示意圖………..63

圖 5-7 外加串接被動元件電路圖………..63

圖 5-8 駐極體電容式麥克風感度測試………..64

表目錄

表 1-1 電容式麥克風與動圈式麥克風之比較………..…65

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表………..66

表 3-1 不同振膜之分析結果………..………67

表 3-2 振膜狀況對機械感度影響一覽表………..67

表 4-1 振膜複合層材料特性………..………68

表 4-2 不同厚度層之皺折振膜製程參數………..68

表 5-1 Fotonic Sensor 量測麥克風平面振膜感度值………69

表5-2 WYKO 量測麥克風平面振膜感度值………..69

表5-3 Fotonic Sensor 量測麥克風皺折振膜感度值………...70

表 5-4 皺折振膜在不同頻率之感度值………..70

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(Piezoelectric/Piezoresistive 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、

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 P.R.Scheeper 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

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 10mm×10mm 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 8mv/Pa。

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 25mv/Pa，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 P.R.Scheeper 和 P.Bergveld 提出一種新式的矽晶電容式

麥克風^[7,8]，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

止頻率。

1994 年 P.R.Scheeper 和 Wouter Olthuis 等人提出一種新式的氮化 矽薄膜^[1]，面積 2mm×2mm 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, C.H. Mastrangelo和K.D. Wise^[9]提出一高靈敏 度的多晶矽薄膜電容式麥克風，以SiO₂、Si₃N₄、聚亞胺與鐵弗龍為

振膜材料^[1,10-14]，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20mv/Pa，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“應用系統單 晶片於數位助聽器(DHA-SoC)之研發”，因此本論文架構乃依據此計

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

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。

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(S/N)，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。

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，

F

F

若

F

F

F

) (

2

1

p i m b

d R C C C

F

其中

R

：駐極體電容式麥克風電容值

C

C ：麥克風封裝所形成的電容值 p

F

d d d o

u k a

F 1 1

（2-2）

其中

a

d：振膜密度，

k

2

o 1

k

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

w

w

3 3 4 4 2 4

4

2

2 . 83 ( 1 )

) 1 33 ( . 5

d o d d d d

o d d d

h w R h v E h

w R h v

P E

其中

E

R _d

h _d

若薄膜在含有預應力條件下則

3 3 4 4 2 2

2

) 1 83 ( . 2 4

d o d d d d

o d d

d

h

w R h v E h

w R

P h

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

示意圖如圖 2-4 所示。則則 P 與

w

3 3 4 4 2 4

4

) 1

(

o d d d p d

o d d d

p

h

w R h v b E

h w R E h a

P

其中

) 1 ( 3

) 3 )(

1 ( 2

2 2

q v q

a_p q （2-6）

) ] 3 )(

( 3 6

[ 1 9 32 1

2

q v q

v q

b

v

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：

] 5 . 1 1

[ ₂

2 2

h

H L

q S

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 0.3。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

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

R

500 10

m

h

3 10

m

m

H 10 10

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 0.92Pa，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：

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。

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 {F} [A]{ } （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，

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 { } [C]{x} （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：

} ]{

][

][

[ }

{F A B C x （3-4）

令[A][B][C] [K] 則{F} [K]{x}

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

{ F } { P ( )} e

則控制方程式可表示為：

t

e

P t

x K t

v B t

a

M ]{ ( )} [ ]{ ( )} [ ]{ ( )} { ( )}

[

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

x ⁽ t ⁾ x

e

u ^{( )}

)}

( { )}

( ]{

[

M i B K u P

3-2 振膜尺寸設計^[16,18]

如圖3-1 所示為本研究設計之正方形矽麥克風振膜，邊長(

a )

_d

h

1 . 6 10

C

溫度差 T 145.833

^o

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 NO.2 表示；(b)為皺 折由邊界起始之局部皺折振膜，以NO.3 表示，含有電橋為 NO.4；(c) 為全皺折振膜，以NO.5 表示，含有電橋為 NO.6。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145.83℃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

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NO.1 與 NO.2 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(22.62nm/Pa)較平面振膜佳(1.38nm/Pa)，相差約 16.4 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

d d d

d a

f a

2 1

2 ² (其中σ為預應力，a_d 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。

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 NO.3 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NO.3 振膜皺折內圈的振膜面積大於 NO.2 振膜，所以 NO.3 振膜整體的平均預應力小於NO.2 振膜，其機械感度較 NO.2 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NO.3 振膜皺折由邊界開始，

皺折圈內的振膜面積較NO.2 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NO.4 振膜應力集中效應較 NO.3 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 NO.3 皺折振膜的機械感度為 41.4nm/Pa，含電橋之 NO.4 皺折振膜的機械感度為 11.72nm/Pa。

由於 NO.4 振膜之整體預應力較 NO.3 振膜為高，由共振頻率公

式

d d

f a 2

1 中，f 與σ成正比，當σ愈大則 f 愈高，因此 NO.4

振膜之共振頻率(37627Hz)高於 NO.3 振膜(25098Hz)。

2. 全皺折振膜

由表一比較 NO.5 與 NO.6 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NO.6 振膜第 一共振頻率為32814Hz，不含電橋之全皺折 NO.5 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，NO.3 與 NO.5 振膜皺折外圈預應力之大 小與分布均相似。在NO.3 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 NO.5 振膜小。但是由於 NO.3 振膜比 NO.5 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41.4nm/Pa 降為 6nm/Pa。在共振 頻率方面，NO.5 振膜皺折圈內主要振動部分面積小於 NO.3 振膜許

NO.5 振膜有較高的共振頻率，第一共振頻率由 25098Hz 提

升為41736Hz。

2. 含電橋振膜

由圖 3-7 與圖 3-9 可知，NO.6 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NO.6 振膜平均預應力小於 NO.4 振膜。但是 由於 NO.6 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

d d

f a 2

1 中可知， NO.6 振膜的預應力(σ)

較NO.4 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0.65μm)，皺折振膜

之機械感度為35.8nm/Pa，平面振膜為 2.3nm/Pa，相差約 15.6 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

頻率及最大熱應力亦較高。

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—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^[16,18]

4-1-1 振膜晶片製程

Step 1 ： 應 用 爐 管 對 晶 圓 進 行

Si _x N

/ Si

N

Step 2：應用爐管對晶圓進行氧化沉積

SiO ₂

Step 3 ： 應 用 濕 式 及 乾 式 蝕 刻 成 所 需 要 之 結 構 振 膜 ( 厚 度 ： 1000~2000

A

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、

FEP、AF、BCB 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

3 ~ 10 m

4-1-2 背板晶片製程

Step 1：MOSFET 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

( 50 m 50 m )

Step 4: 應 用 濕 式 及 乾 式 蝕 刻 成 所需 要 Back-chamber 空 間 規 格 (

0 . 2 ~ 1 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

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 SiO₂、Si₃N₄不同厚度層之皺折振膜參數(振 膜材料SiO₂/Si₃N₄厚度分別為I：1000

A

A

A

A

A

A

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SiO2、Si3N4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

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10×10 陣列方式排列，面積 1mm²，孔洞大 小50μm×50μm，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。

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I、II、III 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 Vibrometer/Interferometer, 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 (Oxide/Nitride：500

A

A

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。

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。

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 0.7~0.9nm/Pa 之間，平均值約 0.8nm/Pa。WYKO 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

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

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

a 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

}

Real 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。

表 2-1 最佳化設計參數及規格輸出值表^[16,18]

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, 0.18

背板厚度, h 1μm

振膜材料 Poly SiGe

振膜材料之楊氏模數, E 1.5 10¹¹

蒲松比, 0.23

背板材料 Silicon Nitride

基材 N-Si

靈敏度 at 1 KHz, S 52mV/Pa

截止頻率 18 kHz