Design And Fabrication of Condenser Microphone Using Wafer Transfer And Micro-electroplating Technique

A novel fabrication process, which uses wafer transfer and micro-electroplating technique, has been proposed and tested. In this paper, the effects of the diaphragm thickness and stress, the air-gap thickness, and the area ratio of acoustic holes to backplate on the sensitivity of the condenser microphone have been demonstrated since the performance of the microphone depends on these parameters. The microphone diaphragm has been designed with a diameter and thickness of 1.9 mm and 0.6 $\mu$m, respectively, an air-gap thickness of 10 $\mu$m, and a 24% area ratio of acoustic holes to backplate. To obtain a lower initial stress, the material used for the diaphragm is polyimide. The measured sensitivities of the microphone at the bias voltages of 24 V and 12 V are -45.3 and -50.2 dB/Pa (at 1 kHz), respectively. The fabricated microphone shows a flat frequency response extending to 20 kHz.Comment: Submitted on behalf of EDA Publishing Association (http://irevues.inist.fr/handle/2042/16838

Investigation of High Performance Miniature Condenser Microphone

本論文主要是利用半導體製程技術來製作聲音感測器，即為微型純電容式麥克風。在研究上主要包含了兩項工作：(1)微型純電容式麥克風之設計與模擬分析。文中利用Mathcad和Ansys軟體來模擬分析麥克風各部份組成最佳的設計參數，藉此得到低功率及高靈敏度的純電容式微型麥克風；(2)微型純電容式麥克風之製程建立及其結果量測及驗證。 本論文主要是設計及製作純電容式微型麥克風元件來提升其特性及功能，將所需的電路元件封裝成為完整的微型麥克風，而後量測驗證其麥克風的機械與電容特性是否與設計結果相符。本論文利用微機電製程技術的高可靠性及高精度之優點來製作的微型麥克風；以製程方式來區分，傳統多數是以單晶片體蝕刻或是晶圓接合的方式製作而成，而本論文則是採用脫離的方式完成各個元件製程，此法不但可以避免單晶片使用體型微加工時其製程之繁雜、又不易製作的缺點，亦可以避免雙晶片成本高、以及可能影響整合IC電路之高溫鍵合的缺點，本論文成功的提升了麥克風的製程良率可達九成，同時元件不再包含矽基板，所以由原本380 μm縮小了整體體積及高度為160 μm，亦可避免過高溫錫爐時駐極體電容式麥克風電荷衰減的不穩定性、耐溫性不佳的問題，而純電容式微型麥克風可穩定控制電壓，此外於製程上又可免於最後切割造成的元件損壞，基板更可以重覆回收利用。完成封裝後，即量測微型麥克風的各個電容及機械特性，驗證是否與設計相符，而最終在麥克風的操作範圍及靈敏度大小，將會搭配放大器及電路在無響室量測出純電容式微型麥克風的頻率響應及麥克風各式聲學特性。量測範圍為20 Hz~20 kHz，於1 kHz的取樣頻率下，並外加12 V的直流偏壓，所量測出的麥克風感度為3.94 mV/Pa(ref. 1 V/Pa)，相較於目前純電容式麥克風市售產品，本論文已研製符合對於微型純電容式麥克風高感度、低功率及超高頻寬的需求。This thesis integrates the MEMS and semiconductor techniques to develop a new acoustic sensor. This acoustic sensor is a condenser microphone. Our study mainly was divided into two parts: One is the design and simulation of the miniature condenser microphone and the other is the fabrication, measurement and verification of the miniature condenser microphone. The paper presents a high sensitivity miniature condenser microphone fabricated by wafer transfer technique. The MEMS microphone nowadays is distinguished by the process that includes both single-chip and wafer bonding technology. Using the wafer transfer technique, it can avoid the complicated and difficult processes of bulk micromachining for single-chip. It can also reduce the high cost of double wafer and the possible influence that high temperature may affect the circuit. It is worthy to mention that the microphone component does not include the silicon substrate. The total volume will decrease validly. Moreover, it can prevent the damage results from the last dicing. The substrate can also be recycled. However, the microphone is based on the concepts of diaphragm thickness, number of acoustic holes and plate area, the thickness of the backplate, and the influence of the chamber. In this thesis, the measurement of a miniature condenser microphone, covering, both the electrical and the mechanical characteristics, is presented. Finally, the results show in very good agreement with the design of the miniature condenser microphone. In order to obtain 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 measured ranges from 20 Hz~20 kHz which human ears can receive. The sensitivity 3.94 mV/Pa(ref. 1 V/Pa) can be obtained under 12 V D.C. bias(@1 kHz). It has achieved the market demand. Details of the design, fabrication, and electrical and acoustic characterization of the microphone will be presented.目錄 封面 空白頁 封面內頁 審核頁 授權書 中文摘要 vi Abstract vii 誌謝 viii 目錄 ix 表目錄 xii 圖目錄 xiii 第一章 緒論 1 一、 前言 1 二、 麥克風發展歷史文獻回顧 3 三、 矽微麥克風種類簡介 4 (一) 壓阻式麥克風 4 (二) 壓電式麥克風 5 (三) 光學式麥克風 6 (四) 電容式麥克風 6 四、 研究動機與目的 7 五、 論文架構 8 第二章 電容式微型麥克風之基本原理說明 9 一、 電容式麥克風基本作動原理 9 (一) 麥克風電容值 9 (二) 麥克風靈敏度 11 (三) 麥克風頻率響應 16 (四) 吸附電壓 17 (五) 麥克風雜訊 19 (六) 麥克風穩定性 21 第三章 麥克風元件之設計與模擬分析 23 一、 前言 23 二、 振膜設計考量 24 三、 背板設計考量 25 四、 空間層設計考量 25 五、 模擬結果與分析 26 第四章 微型純電容式麥克風製程 27 一、 前言 27 二、 麥克風元件製程 27 (一) 振膜製程 27 (二) 背板製程 28 第五章 實驗結果與討論 30 ㄧ、 製程考量與製程中遭遇問題之解決方法 30 (一) 濕蝕刻技術 30 (二) 微影所遭遇之問題 31 (三) 脫離技術 31 (四) 電鍍後去除電鍍光阻問題 32 (五) 薄膜應力與振膜材質選擇 32 (六) 麥克風元件收集問題 33 二、 製程結果與討論 34 三、 麥克風頻率響應量測 35 四、 麥克風機械感度量測 36 五、 麥克風電容特性量測 37 六、 量測值計算 38 第六章 結論與未來展望 47 一、 結論 47 二、 未來展望 48 參考文獻 50 表目錄 表(1-1) 電容式矽微麥克風相關論文之特性探討比較表 54 表(1-2) 近二十年來各類式矽微麥克風特性比較表 55 表(3-1) 電容式麥克風規格 56 表(3-2) 電容式麥克風分析參數 57 表(3-3) 電容式麥克風參數計算之結果 57 表(4-1) RCA標準晶圓清洗步驟 58 表(5-1) 利用PECVD於不同溫度下沈積之氧化矽參數表 58 表(5-2) 麥克風參數設計表 59 表(5-3) 麥克風量測電容值 59 表(5-4) 理論值與實際值比較表 60 表(5-5) 本論文與上一屆純電容式麥克風特性比較表 60 表(5-6) 目前世界上研究微機電麥克風之公司列表 61 表(5-7) 本論文與目前世界上的純電容式麥克風感度比較表 62 圖目錄 圖(1-1) Hohm & Gerhard-Multhaupt研製第一顆以MEMS技術 製作的駐極體式矽微麥克風之剖面示意圖 63 圖(1-2) Schellin & Hess發表了以MEMS技術製成的壓阻式矽 微麥克風之剖面示意圖 63 圖(1-3) Royer et al.研製第一顆以MEMS技術製作的壓電式矽 微麥克風之剖面示意圖 64 圖(1-4) Hohm以組合方式構成純電容式矽微麥克風之剖面示意 圖 64 圖(1-5) H. Schematic運用silicon當作背板的駐極體麥克風之剖 面示意圖 65 圖(1-6) Bergqvist & Rudolf以bonding接合的方式製作純電容式 矽微麥克風之剖面示意圖 65 圖(1-7) Bergqvist & Rudolf經過改進後的製程利用bonding接合 的方式製作純電容式矽微麥克風之剖面示意圖 66 圖(1-8) Kuhnel結合了場效電晶體(FET)的純電容式矽微麥克風 之剖面示意圖 66 圖(1-9) Bourouina et al.發表不需音孔的純電容式矽微麥克風之 剖面示意圖 67 圖(1-10) 電容式(capacitive)麥克風的縱剖面圖 67 圖(2-1) 電容式麥克風基本原理示意圖 68 圖(2-2) 麥克風小訊號之等效電路圖 68 圖(2-3) 麥克風之類比電路圖 69 圖(2-4) 麥克風典型頻率響應圖 69 圖(2-5) 吸附電壓之平行板示意圖 70 圖(2-6) A-weighing濾波器的頻率特性圖 70 圖(3-1) 感度與振膜厚度之關係圖 71 圖(3-2) 模擬polyimide(D=1900 μm，T=1 μm )振膜的機械感度 71 圖(3-3) 模擬polyimide(D=1900 μm，T=0.8 μm )振膜的機械感度 72 圖(3-4) 模擬polyimide(D=1900 μm，T=0.6 μm )振膜的機械感度 72 圖(3-5) Mathcad模擬背板開孔率所表現的感度與頻寬示意圖..73 圖(3-6) Mathcad模擬麥克風靈敏度與空間層之關係而所表現的 感度與頻寬示意圖 74 圖(3-7) 矽微麥克風振膜厚度、尺寸、空間層厚度與感度關係圖 75 圖(3-8) 矽微麥克風振膜厚度、雜訊、元件尺寸與空間層厚度關 係圖 76 圖(3-9) Matlab模擬頻率響應圖 77 圖(4-1) 純電容式微型麥克風設計製作流程圖 78 圖(4-2) Polyimide振膜元件製作流程圖 79 圖(4-3) 背板元件製作流程圖 80 圖(4-4) 背板開孔率設計圖 81 圖(5-1) 蝕刻Al犧牲層因氣泡損壞振膜光學顯微鏡圖 81 圖(5-2) 光阻殘留振膜光學顯微鏡圖 82 圖(5-3) 以光學顯微鏡觀測光阻堵塞背板音孔圖 82 圖(5-4) 麥克風元件經脫離製程後的收集圖 83 圖(5-5) 電容式微型麥克風封裝結構圖 83 圖(5-6) 電容式微型麥克風之封裝實體圖 84 圖(5-7) 微型麥克風脫離技術製程元件光學顯微鏡圖 85 圖(5-8) 麥克風頻率響應量測之裝置示意圖 86 圖(5-9) 無響室的內部構造圖與外部量測設備圖 86 圖(5-10) 麥克風在不同開孔率之頻率響應圖 87 圖(5-11) 麥克風在不同偏壓下之頻率響應圖 87 圖(5-12) 本論文與市售麥克風之頻率響應比較圖 88 圖(5-13) 機械感度量測設備 88 圖(5-14) 白光干涉儀掃瞄結果 89 圖(5-15) 壓力與振膜撓度關係圖 90 圖(5-16) 壓力與振膜機械感度關係圖 91 圖(5-17) 電容-電壓量測關係圖 92 圖(5-18) 電容-壓力量測關係圖 93 圖(5-19) 壓力-空間層關係圖 93 圖(5-20) 驗證麥克風微小電容值量測之頻率響應圖 94 圖(5-21) 電流-電壓量測關係圖 9

China's first step towards probing the expanding universe and the nature of gravity using a space borne gravitational wave antenna

In this perspective, we outline that a space borne gravitational wave detector network combining LISA and Taiji can be used to measure the Hubble constant with an uncertainty less than 0.5% in ten years, compared with the network of the ground based gravitational wave detectors which can measure the Hubble constant within a 2% uncertainty in the next five years by the standard siren method. Taiji is a Chinese space borne gravitational wave detection mission planned for launch in the early 2030 s. The pilot satellite mission Taiji-1 has been launched in August 2019 to verify the feasibility of Taiji. The results of a few technologies tested on Taiji-1 are presented in this paper. Gravitational wave astronomy has opened the door to test general relativity and the effect of gravity in the Universe. The authors present the capabilities of an overlap between space gravitational wave detectors LISA and Taiji to constrain the Hubble constant to 0.5%, in 10 years, and what can be learned from the satellite pilot Taiji-1 launched in 2019.</p