中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
MEMS麥克風(fēng)在消費(fèi)電子和醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域備受關(guān)注。此外，在高聲壓級（SPL）應(yīng)用中，MEMS麥克風(fēng)也展現(xiàn)出巨大的潛力，例如用于飛機(jī)噪聲評估和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測。根據(jù)工作原理，MEMS麥克風(fēng)可分為電容式、壓阻式、壓電式，與電容式和壓阻式換能原理相比，壓電材料的自生電荷機(jī)制使其具有更高的能效優(yōu)勢，成為高性能、低功耗MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用的理想選擇。
近期，北京大學(xué)盧奕鵬研究員團(tuán)隊(duì)提出一種基于高質(zhì)量單晶PZT薄膜的壓電式MEMS麥克風(fēng)。通過在壓電薄膜中引入肋狀結(jié)構(gòu)，制備出的MEMS麥克風(fēng)在減輕質(zhì)量的同時(shí)保持了剛度和靈敏度，并實(shí)現(xiàn)了中心頻率的調(diào)諧。相關(guān)研究成果以“Piezoelectric MEMS microphones based on rib structures and single crystal PZT thin film”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在這項(xiàng)研究工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出一種通過在PZT薄膜上蝕刻肋狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)可控質(zhì)量-頻率調(diào)諧的方法。通過優(yōu)化肋狀結(jié)構(gòu)，在保持剛度的基礎(chǔ)上減輕薄膜質(zhì)量，從而提升中心頻率，改善MEMS麥克風(fēng)的低頻帶寬。此外，該方法在相同諧振頻率下能夠降低彈性模量并提高靈敏度，而該諧振頻率通常代表最大聲過載點(diǎn)（AOP）。選擇PZT薄膜是因其具有較高的密度，仿真結(jié)果顯示，與氮化鋁（AlN）薄膜的頻率調(diào)諧（5.8%）相比，PZT薄膜可實(shí)現(xiàn)更大的頻率調(diào)諧（24.9%），其較高的介電常數(shù)還能在最大應(yīng)力位置配備較小的電極，同時(shí)減輕雜散電容對電增益的影響。
圖1 基于肋狀結(jié)構(gòu)的壓電式MEMS麥克風(fēng)示意圖
圖2 壓電式MEMS麥克風(fēng)分析和FEM仿真結(jié)果以及工藝流程
研究團(tuán)隊(duì)基于肋狀結(jié)構(gòu)的圓形薄膜構(gòu)建了一個(gè)具有高計(jì)算效率的有限自由度分析模型，用于指導(dǎo)MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)和頻率調(diào)諧。阻抗測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著肋狀結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑從0 μm增至340 μm，六個(gè)MEMS麥克風(fēng)的中心頻率從74.6 kHz增至106.3 kHz，與解析分析和有限元建模結(jié)果吻合良好。盡管中心頻率變化較大，但在1 kHz處測得的靈敏度僅在22.3 ~ 25.7 mV/Pa的小范圍內(nèi)變化，表明薄膜剛度變化極小。此外，為提升信噪比（SNR），研究團(tuán)隊(duì)基于PZT的極化特性制定了差分輸出策略，并設(shè)計(jì)了兩級差分電荷放大器。與單端麥克風(fēng)相比，差分麥克風(fēng)可將靈敏度從25.7 mV/Pa提升至36.1 mV/Pa，同時(shí)背景噪聲從-68.2 dB降至-82.8 dB，從而使信噪比從36.4 dB提高至53.9 dB。
圖3 壓電式MEMS麥克風(fēng)分析模型的有效性驗(yàn)證
圖4 阻抗和LDV測試結(jié)果
圖5 差分電荷放大器設(shè)計(jì)示意圖
圖6 壓電式MEMS麥克風(fēng)的聲學(xué)測試結(jié)果
綜上所述，這項(xiàng)研究證明了基于單晶PZT薄膜實(shí)現(xiàn)壓電式MEMS麥克風(fēng)的可行性，提出了一種通過肋狀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)頻率和帶寬的方法，提供了先進(jìn)的分析建模和求解方法，并展示了利用單晶PZT的差分輸出來提高麥克風(fēng)靈敏度的潛力，為壓電式MEMS麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)提供了重要的見解。
