振膜带孔式硅微电容麦克风的仿真与优化

发布时间：2017-08-23 00:27

  本文关键词：振膜带孔式硅微电容麦克风的仿真与优化

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【摘要】：微机电系统是一个多学科高度交叉的前沿学科领域,在近二十年来得到了飞速的发展,它是当前科学研究的一个热点。硅微麦克风作为微机电系统中一个重要的分支,在近几年也得到了人们的重点关注。它应用在手机、笔记本电脑、mp3、助听器等多个领域,正在逐渐取代传统麦克风的地位。因此,研究MEMS麦克风技术具有深远的意义。 查阅中英文文献,对MEMS麦克风的研究现状和发展趋势进行了分析和总结,了解不同类型的MEMS麦克风的工作原理、性能指标和仿真方法等内容,比较它们的优缺点。在此基础上,本文主要针对硅微电容式麦克风进行了分析、仿真和优化,因为这种麦克风具有灵敏度高、频率响应平坦和温度稳定性好等优点,是当前MEMS麦克风市场的主流。本文的主要工作内容和成果如下： 1.针对已有麦克风结构和仿真方法的优缺点,本文设计了一款振膜带孔式硅微电容麦克风。不同于背孔式麦克风,这种麦克风避免了背极板声学孔的制作和后腔室的刻蚀。针对这种结构,提出一种新的建模方法,将有限元分析和等效电路类比方法相结合,建立准确的麦克风等效电路模型,并利用Pspice软件对其进行仿真。 2.从麦克风振膜半径、声学孔分布和空气间隙三方面分别分析了它们对麦克风性能的影响,为下文麦克风结构的优化提供理论基础。 3.提出了一种算法来优化该麦克风结构。该算法的基本思想来自于最速下降法,然而由于本文优化的目标函数未知,优化的具体计算过程需要结合该麦克风仿真的结果,因此称它为拟最速下降仿真。通过拟最速下降仿真对该麦克风进行优化,可以得到一组最优的参数值,使得该麦克风在满足频率宽度的情况下,具有较好的灵敏度。 4.初步设计了该麦克风的加工工艺和封装工艺。加工工艺采用表面微加工工艺,便于和CMOS工艺集成。
【关键词】：硅微电容麦克风 带孔薄膜 等效电路类比 有限元分析 拟最速下降仿真
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN643;TH-39
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 MEMS简介10-13
• 1.2 MEMS麦克风发展历史13-16
• 1.3 MEMS电容式麦克风的研究意义和研究现状16-20
• 1.3.1 MEMS电容式麦克风的研究意义16
• 1.3.2 MEMS电容式麦克风的研究现状16-20
• 1.4 本文工作内容及章节安排20-22
• 第2章 麦克风结构设计与建模22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 电容式麦克风的工作原理以及性能指标22-25
• 2.2.1 电容式麦克风的工作原理22-23
• 2.2.2 电容式麦克风的性能指标23-25
• 2.3 麦克风的结构设计25-26
• 2.4 麦克风模型的分析26-30
• 2.4.1 声学部分27-28
• 2.4.2 力学部分28-29
• 2.4.3 电学部分29-30
• 2.5 麦克风的等效电路30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 麦克风的仿真及结构参数对性能的影响32-51
• 3.1 引言32
• 3.2 有限元仿真软件和电路仿真软件概述32-35
• 3.2.1 有限元仿真软件简介32-33
• 3.2.2 电路仿真软件简介33-35
• 3.3 圆形振膜半径对麦克风性能的影响35-43
• 3.3.1 振膜的有限元仿真35-40
• 3.3.2 等效电路的仿真40-43
• 3.4 声学孔分布及数量对麦克风性能的影响43-47
• 3.4.1 不同声学孔分布的振膜有限元仿真43-45
• 3.4.2 等效电路的仿真45-47
• 3.5 两极板之间的距离对麦克风性能的影响47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 拟最速下降仿真对麦克风结构参数的优化51-62
• 4.1 引言51
• 4.2 最速下降法简介51-54
• 4.3 利用拟最速下降仿真对麦克风结构参数进行优化54-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第5章 麦克风的加工工艺和封装工艺62-70
• 5.1 引言62
• 5.2 工艺流程设计62-67
• 5.2.1 MEMS加工技术简介62-64
• 5.2.2 麦克风加工工艺流程设计64-67
• 5.3 封装技术67-69
• 5.3.1 MEMS封装技术简介67-68
• 5.3.2 麦克风封装技术68-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第6章 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果77

【参考文献】

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1 宁瑾,刘忠立;电容式微传声器的性能模拟与优化设计[J];半导体学报;2003年08期

2 田静;汪承灏;徐联;乔东海;马军;郝震宏;魏建辉;;圆形振动膜硅微电容传声器[J];传感技术学报;2006年05期

3 董林玺;刘国华;钱_，

本文编号：721948