Капсуль конденсаторного мікрофона

1 Капсуль конденсаторного мікрофона, який містить рухомий кремнієвий електрод та відділений від нього повітряним проміжком нерухомий електрод з сформованими у ньому акустичними отворами, при цьому ширина повітряного проміжку задається товщиною шару дюксиду кремнію, розміщеного між електродами, який відрізняється тим, що нерухомий електрод виконаний у вигляді пластини, що містить принаймні одну композитну плівку, сформовану з ізолюючого та легованого з зовнішнього боку нерухомого електрода шарів полікремнію, а також розміщеного між ними шару нітриду кремнію, при цьому рухомий електрод виконаний у вигляді легованої пластини кремнію 2 Капсуль за п 1, який відрізняється тим, що товщини шарів ізолюючого та легованого полікремнію в композитній ПЛІВЦІ рівні між собою, а товщина шару нітриду кремнію задовольняє співвідношенню (0,02 - 0,1) 1 3 Капсуль за п 1 або 2, який відрізняється тим, що нерухомий електрод складається з декількох композитних плівок, при цьому легування шару полікремнію виконано тільки у першій від рухомого електрода композитній ПЛІВЦІ О Винахід відноситься до ємнісних електроакустичних перетворювачів, зокрема до конденсаторних мікрофонів, і може бути використаний для покращення їх параметрів Капсуль конденсаторного мікрофону, відомий за роботою авторів Р R Schecper, A G Н van der Donk, W Olthuis and P Bergveld "Fabrication of silicon condenser microphones using single wafer technology", IEEE J Microelectromech Syst, 1,1992, p147 - 154, містить композитний рухомий електрод, який складається з двох шарів нітриду кремнію та алюмінію, а також двошаровий базовий електрод з шарів нітриду кремнію та золота Величина повітряного проміжку поміж пластинами (0 8мкм) задається товщиною жертовного шару алюмінію (тобто шару, частина якого, розташована безпосередньо під мембраною, стравлюється в процесі виготовлення капсуля) Недоліком такої конструкції капсуля є недостатня термостабільність, зумовлена тим, що рухомий електрод складається з двох шарів з різними величинами коефіцієнтів температурного розширення Внаслідок цього в рухомому електроді мікрофону при ЗМІНІ температури довкілля виникають температурозалежні внутрішні механічні напруження, котрі змінюють чутливість мікрофону і через те знижують його температурну стабільність За прототип вибрано капсуль конденсаторного мікрофону, описаний в статті J Bergquist, F Rudolf, "A silicon condenser microphone using bond and etch-back technology", Sensors and Actuators, A 45 (1994) 115 - 124 Капсуль складається з двох пластин, рухомої та нерухомої Звукочутливим елементом є рухома пластина кремнію товщиною біля 5мкм Рухома пластина відокремлена від нерухомої шаром дюксиду кремнію (1мкм), товщина якого визначав величину повітряного проміжку (робочого зазору капсуля) Нерухома пластина також виготовлена з кремнію, має товщину біля Юмкм, і в ній зроблені отвори з метою забезпечення рівномірної амплітудно-частотної характеристики мікрофону в заданому діапазоні частот Недоліком капсуля мікрофону прототипу є високий еквівалентний рівень шуму та знижена термостабільність його характеристик, зумовлені високою електропровідністю міжелектродного проміжку (робочого зазору капсуля) При малих 00 49817 товщинах повітряного проміжку в робочому режимі величина електричного поля в ньому може сягати 10000 - ЮООООВ/см В цьому разі присутність в повітрі струмопровідних часточок пилу, вологи, солей веде до замикання міжелектродного проміжку, росту струму протічок, що врешті спричиняє підвищення рівня шуму, причім з ростом температури величина шуму, зумовлена цим механізмом, росте за експоненційним законом Таким чином, розглянуті вище технічні вирішення не дозволяють досягти низького еквівалентного рівня власних шумів мікрофону при збереженні температурної стабільності його характеристик Запропонований капсуль розв'язує задачу зменшення еквівалентного рівня шуму при підвищеній термостабільності капсуля мікрофону шляхом зниження електропровідності міжелектродного проміжку Поставлена мета досягається за рахунок того, що капсуль конденсаторного мікрофону складається з рухомого кремнійового електроду та відокремленого від нього повітряним проміжком нерухомого електроду зі зробленими в останньому акустичними отворами При цьому ширина повітряного проміжку задається товщиною дюксиду кремнію, розташованого між електродами Нерухомий електрод являє собою пластину, що складається принаймні з одного композитного шару, котрий містить плівки ізолюючого та легованого з боку нерухомого електроду полікремнию, а також розташовану між ними плівку нітриду кремнію Прицьому рухомий електрод зроблено у вигляді легованої пластини кремнію Експериментально встановлено, що мінімальний еквівалентний рівень шуму при підвищеній термостабільності досягається тоді, коли товщини плівок ізолюючого та легованого полікремнию в композитному шарі рівні між собою, а товщина плівки нітриду кремнію обрана за співвідношенням (0 02 - 0 1) 1 Рухомий електрод може бути також зроблений у вигляді пластини, що містить кілька композитних шарів При цьому легування плівки полікремнію проводять лише в першому від рухомого електроду композитному шарі На фіг 1 показана конструкція капсулів мікрофону, у котрих нерухомий електрод складається з однієї чи кількох композитных плівок (фіг 1а та фіг 16 ВІДПОВІДНО) де 1 - кремнієва рамка, 2 - рухомий електрод (кремнієва мембрана), 3 - омічний контакт з мембраною, 4 - відокремлюючий шар дюксиду кремнію, 5 - шар нітриду кремнію, 6 - нерухомий композитний електрод, який складається з двох шарів полікремнію розділених шаром нітриду кремнію (5), при чому другий шар полікремнію легований з зовнішнього боку (8), 7 - акустичні отвори, 8 - легований з зовнішнього боку шар полі кремнію, 9 омічний контакт до легованого шару полікремнію На фіг 2 дана електрична схема ввімкнення капсуля мікрофону На фіг 3 показана аналогова електрична схема механічної системи капсуля мікрофону На фіг 4 показана амплітудно-частотна характеристика капсуля мікрофону Працює капсуль мікрофону таким чином Під дією звукового тиску кремнієва мембрана 2, котра становить єдине ціле з кремнієвою рамкою 1, здійснює коливання над поверхнею нерухомого базового електроду Нерухомий електрод відокремлений від мембрани 2 повітряним проміжком, товщина якого задається товщиною шару дюксиду кремнію 4 Базовий електрод складається принаймні з однієї композитної плівки, утвореної двома шарами полікремнію 6, розділеними шаром нітриду кремнію 5 При цьому другий шар полікремнію 8 легується з зовнішнього боку з метою підвищення його електропровідності Вихідний сигнал вимірюється на електродах 3 та 9, котрі утворюють ОМІЧНІ контакти з мембраною та з легованим верхнім шаром полікремнію Щоб одержати рівномірну амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) капсуля мікрофону, в нерухомому електроді сформовано ряд акустичних отворів 7 Нижче подано розрахунок чутливості і АЧХ запропонованого капсуля мікрофону Вихідними параметрами для розрахунку є фізико-механічні характеристики рухомого електрода, КІЛЬКІСТЬ та діаметр акустичних отворів в нерухомому електроді, а також розмір повітряного проміжку між вказаними електродами Чутливість мікрофону становить E«Uo/L, (2) де - відхилення рухомого електроду під дією звукового тиску, усереднене по площі, L ширина повітряного проміжку між електродами Величина виражається через повний механічний опір акустомеханічної системи Z де S m - площа рухомого електроду, ш- кругова частота звукової хвилі Тут модуль Z визначається еквівалентними масою т, гнучкістю С та активним опором капсуля г Величина Z може бути обчислена через використання аналогової електричної схеми капсуля, котра для нашого випадку зображена на фіг З Тут, у ВІДПОВІДНОСТІ з методом електроакустичних-аналопй, Cm, Ca, Co, m m , Ra - еквівалентні гнучкість рухомого електроду, повітря в міжелектродному зазорі, повітря в акустичній порожнині за базовим електродом, маса рухомого електрода та активний опір повітря в акустичних отворах в базовому електроді ВІДПОВІДНО Перераховані вище параметри виражаються через величини густини ро, в'язкості повітря [J, густини матеріалу рухомого електроду р т , та швидкості звукової хвилі с в повітрі співвідношеннями 2 192n D п>га = ( » P r a * S r a * h . a (5,6) роЛ Ra = пі (7,8) (9) (10) де So, N - площа одного акустичного отвору та 49817 їх КІЛЬКІСТЬ в нерухомому електроді, D - циліндрич на жорсткість n I h - товщина мембрани, Ео - модуль Юнга, v коефіцієнт Пуассона, L - ширина повітряного зазору, V - об'єм акустичного простору за нерухомим електродом Важливою характеристикою мікрофону є еквівалентний рівень шуму N N = 201: (11) де u - напруга шуму в мВ, Е - чутливість капсуля в мВ/Па На фіг 4 показані розраховані залежності амплітудно-частотних характеристик капсуля від КІЛЬКОСТІ акустичних отворів в нерухомому електроді Розрахунок зроблено для радіусу акустичних отворів 6 5мкм, h = 2мкм, L = 1 бмкм, радіусу мембрани 0 7мм, для трьох значень N, рівних 2500 (суцільна крива), 3000 (пунктирна крива) і 3500 (дрібно пунктирна крива), - акустичних отворів в нерухомому електроді Видно, що найкраща амплітудно-частотна характеристика з відхиленням від сталості в межах ± 2дб в діапазоні частот до ЮкГц має місце для 3000 отворів в нерухомому електроді При наявності різниці потенціалів U (фіг 2) між рухомим та нерухомим електродами і тиску на мембрану звуку, що динамічно змінюється, на опорі RH виникає змінна напруга, амплітуда якої є пропорційна амплітуді звукової хвилі, а частота дорівнює частоті звукових коливань Далі сигнал подається на схему витокового повторювача та підсилювач Слід підкреслити, що конструкція нерухомого електроду капсуля мікрофону, при якій нерухомий електрод виготовляється у вигляді пластини, що складається принаймні з одного композитного шару, котрий містить плівки ізолюючого та легованого з боку нерухомого електроду полікремнію, а також розташовану між ними плівку нітриду кремнію, при цьому товщини плівок ізолюючого та легованого полікремнію рівні між собою, а товщина плівки нітриду кремнію вибрана зі співвідношення (0 02 0 1) 1, дозволяє створити капсуль мікрофону з низьким рівнем власних шумів при високій термостабільності його характеристик Це пов'язано з тим, що запропонований склад композитного шару, при наведених вище співвідношеннях товщин плівок, що його складають, має високі термомеханічні характеристики (МІЦНІСТЬ, термостабільність) при надзвичайно низькій електропровідності Така конструкція нерухомого електроду при рухомому електроді в вигляді легованої пластини кремнію дозволяє виготовляти капсулі мікрофонів високої якості та самого широкого застосування Серед фірм, що займаються виробництвом електроакустичних перетворювачів, можна назвати "Siemens", "Texas Instruments", "Sony", "LG Electronics", "Sharp" та ш Запропонований винахід може бути для них цікавим, постільки розглянутій вище конструкції капсуля мікрофону властиві високі технічні характеристики при можливості виготовлення її методами інтегральної напівпровідни кової технологи, тобто технологи, що забезпечує високу якість приладів та високу відтворюваність їхніх характеристик, можливість виготовлення великої КІЛЬКОСТІ приладів при їх низькій собівартості Важливою обставиною є також те, що методами інтегральної напівпровідникової технології можна створити не лише сам капсуль мікрофону, але і схему обробки сигналу, розташовуючи и безпосередньо на капсулі Вивчення ринку України та близького зарубіжжя показує великий попит на електроакустичні перетворювачі Так, наприклад, для телефонії та систем зв'язку річна потреба становить в Україні орієнтовно 150-ь 200тис шт нарік Задовольнити цю потребу на основі традиційних методів виготовлення та складання мікрофонів, таких як конденсаторні електретні мікрофони серп МКЭ (виготовлювач НПО "ОКТАВА", м Тула, Росія), що серійно випускались в колишньому СРСР, неможливо, оскільки потреба лише в Україні на порядки перевищує потужність виготовлювача Крім того, випуск буде стримуватися відсутністю необхідних для виробництва об'ємів електретної плівки Запропонований капсуль конденсаторного мікрофону може виготовлюватися великими серіями в єдиному технологічному циклі методами групової інтегральної технології Випуск запропонованих чутливих елементів мається на увазі організувати на НПО "ПОЛЮС" (м Вінниця) Приклади ДОСЛІДНІ зразки капсулів виготовлялись методами напівпровідникової інтегральної технології в єдиному технологічному циклі Звукочутливим елементом служила кремнійова мембрана з радіусом 0 7мм і товщиною 2мкм Величина міжелектродного зазору дорівнювала 1 бмкм В нерухомому електроді було зроблено 3000 акустичних отворів діаметром 13мкм Чутливість капсуля мікрофону в вільному звуковому полі вимірювалась методом заміщення в діапазоні частот 200Гц ЮкГц Напруга живлення капсуля дорівнювала 1 2В при струмі 25мкА (разом зі схемою витокового повторювача) Для експериментальних досліджень характеристик виготовлялись капсулі мікрофона, нерухомий електрод яких виконувався у вигляді пластини або з однієї композитної плівки (шар полікремнію шар нітриду кремнію шар полікремнію), або з трьох композитних плівок При цьому співвідношення між товщинами шарів полікремнію D і нітриду кремнію d в кожній композитній ПЛІВЦІ вибиралися різними Нижче наведені номери зразків, значення величин d, D и d/D, а також їх головні характеристики Капсуль No 2/3 Нерухомий електрод виконаний у вигляді однієї композитної плівки при D = бмкм і d = 0 12мкм (d/D = 0 02) Чутливість по вільному полю, мВ/Па 2 54 Еквівалентний рівень шуму, дб 31 Нерівномірність частотної характеристики в діапазоні частот (0 1 -ь кГц), дб З Капсуль No 4/11 Нерухомий електрод виконаний у вигляді однієї композитної плівки при D = 1 2мкм і d = 0 12мкм (d/D = 0 1) 49817 Чутливість по вільному полю, мВ/Па 2 62 Еквівалентний рівень шуму, дб ЗО Нерівномірність частотної характеристики в діапазоні частот (0 1 -ь ЮкГц), дб 2 56 Капсуль No 5/4 Нерухомий електрод виконаний у вигляді однієї композитної плівки при D = 2мкм і d = 0 12мкм (d/D = 0 06) Чутливість по вільному полю, мВ/Па 2 70 Еквівалентний рівень шуму, дб 29 Нерівномірність частотної характеристики в діапазоні частот (0 1 -ь ЮкГц), дб 3 2 Капсуль No 7/3 Нерухомий електрод виконаний у вигляді однієї композитної плівки при D = 12мкм і d = 0 12мкм (d/D = 001) Нерухомий електрод зруйнувався під дією внутрішніх механічних напружень в композитній ПЛІВЦІ Капсуль No 8/11 Нерухомий електрод виконаний у вигляді однієї композитної плівки при D = 1мкм і d = 0 12мкм (d/D = 0 12) Нерухомий електрод вигинається під дією внутрішніх механічних напружень, що приводить до збільшення величини повітряного проміжку між пластинами S Фіг. 1а ФІГ 16 8 Чутливість по вільному полю, мВ/Па 0 1 Еквівалентний рівень шуму, дб 38 Нерівномірність частотної характеристики в діапазоні частот (0 1 -ь ЮкГц), дб З З Капсуль No 9/4 Нерухомий електрод виконаний у вигляді трьох композитних плівок при D = Змкм і d = 0 12мкм (d/D = 0 04) в кожній ПЛІВЦІ Чутливість по вільному полю, мВ/Па 2 15 Еквівалентний рівень шуму, дб 28 Нерівномірність частотної характеристики в діапазоні частот (0 1 -ь ЮкГц), дб 2 8 З наведених вище прикладів витікає, що капсулі конденсаторного мікрофону з співвідношеннями шарів полікремнію та нітриду кремнію d/D 0 1 мають низькі характеристики» або їх не вдається створити, тт оскільки нерухомий електрод руйнується чи деформується під дією внутрішніх механічних напружень Перебіги запропонованого винаходу порівняно з відомими аналогами полягають в тому, що запропонована конструкція капсуля мікрофону дозволяє виробляти чутливі елементи для мікрофонів високої якості та великими серіями Крупносерійне виробництво дозволить зробити їх також дешевими при збереженні високих споживчих властивостей 49817 10 Мн См Фіг.З Фіг.2 ft Вихідний сигнал S -—__ -10 5000 1-10 4 15*10 2'10~ =э частота, Гц Фіг.4 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 R-в