摘要
近年来，消费电子、物联网设备等领域的发展促进了对高性能微型麦克风的需求。MEMS电容式麦克风在非常规环境条件下具有的高稳定性，以及在更小尺寸下拥有的优异电声性能，使得它们在很大程度上取代了传统的ECM，在消费市场的占有率也变得越来越高。目前对于MEMS电容式麦克风技术的研究主要集中在对其声学性能的优化提升上，主要包括麦克风结构的设计优化和新型材料的探索等。本文主要针对提升MEMS电容式麦克风性能的设计优化从理论和实验两方面展开研究: 从理论上分析了影响MEMS电容式麦克风灵敏度性能的因素，主要是膜片顺应性以及偏置电压。首先利用Comsol对不同结构参数的膜片顺应性进行了仿真分析，结果表明可以通过增加振膜有效面积、减小振膜厚度、减小振膜残余应力以及采用波纹膜结构的方式来提高麦克风膜片顺应性，从而提升麦克风灵敏度。然后利用Comsol对MEMS电容式麦克风的吸合电压进行了建模仿真分析，仿真结果表明，可以通过增加振膜厚度、增大振膜残余应力、增大空气间隙距离和减小背板有效面积的方式提高麦克风的吸合电压，这有利于提高麦克风偏置电压，进而提高其灵敏度性能。此外，通过建立MEMS电容式麦克风的等效电路模型，分析了不同结构参数对于麦克风频率响应的影响，进一步验证了对膜片顺应性的仿真结果。 在实验方面，基于国内MEMS工艺平台，流片制造了两种芯片尺寸分别为0.9mm×0.9mm和1.1mm×1.1mm的MEMS电容式麦克风，并对其进行了电学和声学性能测试。基本声学测试结果表明，所设计的两款麦克风分别可以达到62.4 dB和64.3dB的信噪比，性能达到业界主流水平。基于两种麦克风的基础结构，通过控制变量改变不同的设计参数，并进行电学C-V特性测试，测试结果与仿真结果趋势一致。通过分析不同麦克风结构设计参数对应的声学性能测试数据，可以得出减小振膜厚度和采用波纹膜结构是显著提升麦克风灵敏度和信噪比的有效方式。最后对麦克风样品进行了可靠性测试，测试前后麦克风灵敏度差异均不超过1 dB，表明所测试样品具有良好的可靠性。少量样品在进行跌落可靠性测试后出现了失效的情况，通过CMP工艺优化和振膜泄气狭缝设计优化解决了因应力集中导致的失效问题，后续实验表明优化方案具有较好的改善效果。 本文从理论和实验两方面对不同设计参数对于MEMS电容式麦克风性能的影响做了较为详细的研究，可以为MEMS电容式麦克风技术的发展和工程中的实际问题提供一定的理论基础和工程经验。
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