基于静电悬浮技术的MEMS麦克风：设计与实验表征研究报告

作者与发表信息

本研究由Mehmet Ozdogan、Shahrzad Towfighian和Ronald N. Miles合作完成，三位作者均来自美国纽约州立大学宾汉姆顿分校机械工程系。该研究以论文形式发表在2019年的IEEE学术会议上，论文标题为《Fabrication and Experimental Characterization of a MEMS Microphone Using Electrostatic Levitation》。

学术背景

本研究属于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)领域，聚焦于声学传感器的创新设计。随着物联网(Internet of Things, IoT)技术的发展，数十亿传感器被嵌入日常电子设备中，其中麦克风作为将声压波转换为电信号的关键元件，市场需求持续增长。当前市场上主要有两种麦克风技术：传统驻极体电容麦克风(Electret Condenser Microphones, ECM)和MEMS麦克风。相比ECM，MEMS麦克风具有体积小、信噪比高、功耗低和易于集成等优势。

传统电容式MEMS麦克风存在”吸合失效”(pull-in instability)问题，即当偏置电压超过临界值时，振膜会因静电吸引力过大而坍塌到背板上。这一现象严重限制了偏置电压的提高，进而制约了麦克风灵敏度的提升。本研究团队提出了一种创新的静电悬浮(electrostatic levitation)传感方案，通过特殊的电极配置使传感电极在施加偏置电压时产生”悬浮”效应而非传统设计中的”吸合”效应，从而彻底避免了吸合失效问题。

研究方法与流程

1. 器件设计与原理

研究团队设计了一种基于静电排斥力的MEMS麦克风结构。该设计包含： - 连接在薄振膜上的活动指状电极 - 由短悬臂梁支撑的振膜结构 - 位于活动指状电极下方的接地和偏置固定指状电极

其工作原理在于：由于活动指状电极上表面的电场强度高于下表面，会产生向上的净静电排斥力，使振膜产生静态位移。这种设计不仅避免了吸合失效，还通过增加初始间隙为振膜提供了更大的振动空间。

2. 制造工艺

器件在康奈尔纳米尺度设施(Cornell Nanoscale Facility, CNF)采用四掩模步进光刻技术制造，主要工艺流程包括： 1. 在4英寸N型硅片上生长1μm厚的热氧化层作为绝缘层 2. 沉积0.2μm厚的低应力LPCVD氮化硅层 3. 沉积2μm厚的磷掺杂非晶硅层，经5小时退火形成多晶硅 4. 通过Bosch刻蚀工艺形成多晶硅固定指状电极 5. 沉积4μm厚的高温氧化物(HTO)作为牺牲层 6. 使用化学机械抛光(CMP)平坦化约一半的氧化物层 7. 采用ICP-RIE刻蚀形成结构多晶硅层之间的通孔 8. 沉积第二层2μm厚的磷掺杂多晶硅形成活动指状电极和振膜 9. 背面深反应离子刻蚀(DRIE)释放结构 10. HF:HCl溶液释放后，进行临界点干燥(CPD)防止粘连

3. 实验测试

在宾汉姆顿大学的消声室中，研究团队搭建了完整的测试系统： 1. 采用电荷放大器读出电路(含OPA 657运算放大器、1pF电容和10GΩ反馈电阻) 2. 使用Bruel & Kjaer 4138参考麦克风测量入射声压 3. 通过NI PXI-1033数据采集系统获取输入/输出信号 4. 测试频率范围为100Hz-20kHz纯音信号 5. 偏置电压测试范围为40V至100V

主要研究结果

实验数据显示： 1. 在40V至100V的偏置电压范围内，麦克风灵敏度随偏置电压增加呈近似线性增长 2. 与传统电容式麦克风不同，该设计在高压下未出现吸合失效现象 3. 静电悬浮机制有效增加了振膜与固定电极之间的初始间隙 4. 振膜的机械响应未受到高偏置电压的不利影响

这些结果验证了静电悬浮概念在MEMS麦克风设计中的可行性，表明通过提高偏置电压来增强灵敏度而不引发吸合失效是可行的。

研究结论与价值

本研究成功设计并制造了一种基于静电悬浮原理的新型MEMS麦克风，其主要创新点和价值包括： 1. 科学价值： - 首次在MEMS麦克风中实现了静电悬浮传感机制 - 为静电传感器设计提供了避免吸合失效的新思路 - 建立了高偏置电压下稳定工作的电容式传感器设计范式

1. 技术价值：

   • 突破了传统电容式麦克风偏置电压的限制
   • 提供了一种通过简单增加偏置电压来提高灵敏度的方法
   • 为高性能MEMS麦克风设计开辟了新途径

2. 应用价值：

   • 可应用于智能手机、笔记本电脑、助听器等消费电子产品
   • 适用于需要高灵敏度、小体积的声学传感场景
   • 兼容现有MEMS制造工艺，便于大规模生产

研究亮点

1. 创新性设计：首次将静电悬浮概念应用于MEMS麦克风，解决了长期困扰电容式传感器的吸合失效问题。
2. 工艺创新：采用四掩模步进光刻工艺实现了复杂三维结构的精确制造，特别是活动指状电极与固定指状电极的精确对准。
3. 性能突破：实现了偏置电压超过100V仍能稳定工作的电容式麦克风，为高灵敏度设计提供了新思路。
4. 理论实践结合：在前期理论研究基础上([23])，成功实现了器件制造和性能验证，形成了完整的研究闭环。

其他有价值内容

1. 研究得到了美国国家科学基金会(NSF)ECCS #1608692项目的资助，部分工作在NNCI成员单位康奈尔纳米尺度设施完成(NSF资助号NNCI-1542081)。
2. 论文详细记录了器件的关键尺寸参数(见表I)，为后续研究提供了重要参考。
3. 研究团队对背腔空气体积对器件机械和电气灵敏度的影响进行了专门研究([29])，为优化设计提供了依据。

这项研究不仅为MEMS麦克风设计带来了创新突破，其静电悬浮概念还可推广应用于其他类型的静电传感器和致动器，具有广泛的科研和应用前景。