Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11455/3982
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dc.contributor.advisor洪瑞華zh_TW
dc.contributor.advisorHorng-Ray-Huaen_US
dc.contributor.author胡辜昱zh_TW
dc.contributor.authorHu-Ku-Yuen_US
dc.date2005zh_TW
dc.date.accessioned2014-06-06T06:26:46Z-
dc.date.available2014-06-06T06:26:46Z-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/3982-
dc.description.abstract本論文主要是整合微機電與半導體製程技術來製作一新式聲音感測器即微小型電容式麥克風。在研究上主要包含兩項工作:(1)微型電容式麥克風之設計與模擬分析。文中利用Mathcad軟體來模擬分析氮化矽與Polyimide不同平坦形狀薄膜其性能之差別,藉由模擬設計改變不同的參數來求得較高靈敏度之微型電容式麥克風。(2)微型電容式麥克風之製程及結果量測。 在製作的過程中由於一些製程問題,因此另外成功研發出脫離技術來研製微小型電容式麥克風,以製程方式來區分,目前一般利用微機電製程技術所製作的微型麥克風,多數為單晶片或者是晶圓接合的方式來製作,利用脫離的方式,不但可以避免傳統單晶片所使用體型微加工製程繁雜又不易製作的缺點,亦可以避免雙晶片成本高,且高溫鍵合可能影響整合IC電路的缺點。此外,在製程上又可免於切割造成的元件損壞,且基板可以重複回收利用。以脫離方式的Polyimide振膜完成後搭配放大器於無響室進行電容式麥克風頻率響應的量測,以了解其操作範圍及靈敏度。量測範圍為人耳可及的20~20 kHz,於1 kHz之取樣頻率並外加25 V直流偏壓下所量測值約可得到-49.5 dBV/Pa的增益輸出,感度約為3.35 mV/Pa。zh_TW
dc.description.abstractThis paper integrates the MEMS and semiconductor techniques to develop a new acoustic sensor, condenser microphone. Our study mainly includes two parts: one is the design and simulation of MEMS condenser microphone and the other is the fabrication and measurement of condenser microphone. We utilized the software Mathcad to simulate and analyze different functions of silicon nitride and polyimide flat diaphragms. By changing different parameter, we can obtain the diaphragm with better sensitivity. We use the wafer transfer technique to fabricate condenser microphones that was due to process problem. The MEMS microphone is distinguished by the process that includes both single-chip and wafer bonding technology. This paper presents the wafer transfer technique that can avoid complicated and difficult process of bulk micromachining which single-chip uses; also, it can reduce the high cost of wafer pair and the possible influence that high temperature may affect the circuit. Moreover, it can prevent the damage results from the last dicing. The substrate can also be recycled. In order to know the dynamic range and the sensitivity of condenser microphone, the finished microphone is combined with the amplifier circuit then being examined with frequency response in the anechoic chamber. The examination ranges from 20~20 kHz which human ears can receive. We pick 1 kHz and add 25 V DC bias to detect the sensitivity. Finally, the sensitivity of single chip condenser microphone is -49.5 dBV/Pa at 1 kHz. It is corresponding to 3.35 mV/Pa at 25 V.en_US
dc.description.tableofcontents目錄 封面內頁 簽名頁 授權書 iii 中文摘要 iv Abstract .v 誌謝 .....vi 目錄 ..vii 表目錄 .x 圖目錄 .xi 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 微感測器 2 1-3 麥克風介紹及其歷史 3 1-3-1 壓電式麥克風 3 1-3-2 壓阻式麥克風 4 1-3-3 光學式麥克風 5 1-3-4 電容式麥克風 5 第二章 電容式麥克風理論與設計分析 8 2-1 基本理論 9 2-1-1 靈敏度 9 2-1-2 雜訊 11 2-2 感度與頻率響應分析 11 2-3 麥克風元件的結構設計與探討 15 2-3-1 振膜設計 16 2-3-2 空間層設計 17 2-3-3 背板音孔設計 17 2-4 Mathcad模擬麥克風感度 18 第三章 麥克風元件製程規劃與量測 19 3-1 製程規劃 19 3-1-1 振膜與氣腔規劃 19 3-1-2 犧牲層製程規劃 21 3-1-3 背板製程規劃 21 3-2 麥克風元件製作流程 22 3-2-1 電極異面製程 22 3-2-2 電極同面製程 24 3-2-3 脫離製程 26 3-3 麥克風特性量測機制 27 3-3-1 雷射都卜勒儀之量測機制 27 3-3-2 頻率響應特性之量測機制 28 第四章 結果與討論 31 4-1 製程問題與改善方法 31 4-1-1 微影問題 31 4-1-2 切割問題 32 4-2 雷射都卜勒特性量測結果分析 32 4-3 頻率響應特性量測結果分析 33 第五章 結論與未來展望 36 參考文獻 38 表目錄 表1-1 各式壓電式麥克風比較表 43 表1-2 各種矽晶電容式麥克風相關文獻之特性比較表 43 表2-1 微機電製作之電容式麥克風比較表 44 表2-2 麥克風參數設計表 45 表3-1 RCA晶圓清洗步驟 45 表3-2 不同溫度沉積氧化矽參數表 46 表3-3 胺基磺酸鎳鍍液成份 46 表3-4 胺基磺酸鎳鍍液操作範圍 46 圖目錄 圖1-1 Royer et al.壓電式矽晶麥克風結構剖面圖 47 圖1-2 Schellin and Hess 壓電阻式矽晶麥克風結構剖面圖 47 圖1-3 Hohm and Gerhard-Multhaupt第一顆電容式麥克風剖面圖 48 圖1-4 Scheeper et al.電容式矽晶麥克風結構剖面圖 48 圖2-1電容式麥克風基本原理示意圖 49 圖2-2一般電容式麥克風搭配放大電路的等效電路圖 49 圖2-3靈敏度與振膜厚度關係圖 50 圖2-4靈敏度與間隙的關係圖 50 圖2-5電容式麥克風等效類比電路圖 51 圖2-6 Ansys模擬平面振膜未受1Pa音壓振膜撓曲情形 51 圖2-7 Ansys模擬平面振膜受到1Pa音壓振膜撓曲情形 52 圖2-8四爪振膜尺寸設計圖 52 圖2-9 Ansys模擬平面振膜受到1Pa音壓振膜撓曲情形 53 圖2-10 Mathcad模擬麥克風靈敏度與間隙的關係圖 54 圖2-11 Mathcad模擬麥克風背板開孔率與全感度圖 55 圖2-12背板音孔的設計圖 55 圖2-13 Mathcad模擬氮化矽振膜的麥克風全感度圖 56 圖2-14 Mathcad模擬polyimide振膜的麥克風全感度圖 56 圖3-1 研究進行流程圖 57 圖3-2 KOH在不同溫度與濃度的蝕刻特性圖 58 圖3-3 保護結構治具截面示意圖 58 圖3-4 保護結構治具外觀圖 59 圖3-5 無電電鍍造成表面氣泡缺陷OM圖 60 圖3-6 無電電鍍造成表面氣泡缺陷截面SEM圖 60 圖3-7 電極異面製程結構流程圖a ~ f 61 圖3-7 電極異面製程結構流程圖g ~ j 62 圖3-8 電極異面光罩局部圖 63 圖3-9 單晶片麥克風電極異面的元件完成圖 64 圖3-10 單晶片麥克風電極異面的元件SEM圖 65 圖3-11 單晶片麥克風電極異面背板音孔結構SEM圖 65 圖3-12 電極同面製程結構流程圖a ~ h 66 圖3-12 電極同面製程結構流程圖i ~ l 67 圖3-13 電極同面新增光罩局部圖 68 圖3-14 單晶片麥克風電極同面的元件完成圖 69 圖3-15 單晶片麥克風電極同面四爪振膜圖形 70 圖3-16 單晶片麥克風電極同面的元件SEM圖 70 圖3-17 脫離單晶片製程結構流程圖a ~ f 71 圖3-17 脫離單晶片製程結構流程圖g ~ h 72 圖3-18 脫離單晶片新增光罩局部圖 72 圖3-19 脫離單晶片元件完成圖 73 圖3-20 雷射都卜勒的雷射光束對振膜做定點的資料分析 74 圖3-21 PCB板上的電路接線示意圖 74 圖4-1 電子束蒸鍍系統所蒸鍍的3µm厚粗糙鋁膜 75 圖4-2 於3µm不平坦鋁膜上lift-off圖 75 圖4-3 鎳板與振膜分開製作再接合示意圖 76 圖4-4 固定頻率點情況下,平面振膜受到聲壓引起的振動情形 77 圖4-5 固定頻率點情況下,四爪振膜受到聲壓引起的振動情形 78 圖4-6 麥克風量測頻率響應的裝置示意圖 79 圖4-7 無響室內部構造圖 79 圖4-8 麥克風外部量測設備圖(音頻分析儀、擴大機) 80 圖4-9 鎳板與振膜接合外加不同偏壓5V、12V、25V的頻率響應 圖 80 圖4-10 鎳板與振膜接合外加不同偏壓與感度的變化圖 81 圖4-11 脫離式麥克風外加不同偏壓2V、7V、12V、25V時的頻率 響應圖 81 圖4-12 脫離式麥克風外加不同偏壓與感度的變化圖 82 圖4-13 Knowles Electronics生產的SiSonic矽晶麥克風的頻率響應 圖 82zh_TW
dc.language.isoen_USzh_TW
dc.publisher精密工程研究所zh_TW
dc.subjectcondenser microphoneen_US
dc.subject電容式麥克風zh_TW
dc.subjectwafer transfer techniqueen_US
dc.subject脫離技術zh_TW
dc.subject頻率響應zh_TW
dc.title微機電電容式麥克風之設計與研發zh_TW
dc.titleDesign and Fabrication of MEMS-Type Condenser Microphoneen_US
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
item.languageiso639-1en_US-
item.openairetypeThesis and Dissertation-
item.cerifentitytypePublications-
item.grantfulltextnone-
item.fulltextno fulltext-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
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