Modellierung und Herstellung kapazitiver Mikrofone in BiCMOS-Technologie

Modelling and fabrication of silicon condenser microphones in BiCMOS technology

  • In Produkten wie Mobiltelefonen, Hörgeräten, Camcordern oder PDA’s werden in großen Stückzahlen Elekret-Kondensatormikrofone eingesetzt. Diese verwenden überwiegend fluorierte Polymere als Material für die Elektretschicht. Aufgrund der eingeschränkten Temperaturstabilität der Elektretfolien werden Elektret-Mikrofone manuell gelötet. Demgegenüber erfüllen mikromechanische Silizium-Mikrofone in SMD (Surface Mounted Device)-Gehäusen die Temperaturanforderungen automatisierter Montagelinien und erlauben daher die kostengünstige Leiterplattenbestückung mit Reflow-Lötprozessen. Weitere Vorteile von Silizium-Mikrofonen liegen in einer geringen Baugröße, einer geringen Exemplarstreuung, einer niedriIn Produkten wie Mobiltelefonen, Hörgeräten, Camcordern oder PDA’s werden in großen Stückzahlen Elekret-Kondensatormikrofone eingesetzt. Diese verwenden überwiegend fluorierte Polymere als Material für die Elektretschicht. Aufgrund der eingeschränkten Temperaturstabilität der Elektretfolien werden Elektret-Mikrofone manuell gelötet. Demgegenüber erfüllen mikromechanische Silizium-Mikrofone in SMD (Surface Mounted Device)-Gehäusen die Temperaturanforderungen automatisierter Montagelinien und erlauben daher die kostengünstige Leiterplattenbestückung mit Reflow-Lötprozessen. Weitere Vorteile von Silizium-Mikrofonen liegen in einer geringen Baugröße, einer geringen Exemplarstreuung, einer niedrigen Körperschallempfindlichkeit, einer kostengünstigen Massenfertigung und der Möglichkeit zur Schaltungsintegration. Die vorliegende Arbeit stellt die Modellierung und Herstellung von kapazitiven Silizium-Mikrofonen vor, die mit den Verfahren einer BiCMOS (Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Technologie prozessiert werden. Die Modellierung des Mikrofons ist für die Optimierung von Prozess und Design unerlässlich, da die Herstellung und Prüfung zeit- und kostenintensiv ist. Das entwickelte Systemmodell basiert auf einem elektrischen Ersatzschaltbild und beinhaltet erstmals die Nichtlinearität der Verformungsversteifung und die mechanische Nachgiebigkeit von Membranen mit Federstrukturen und Korrugationen, die mit der Methode der Finiten-Elemente untersucht werden. Die sehr gute Übereinstimmung zwischen experimentellen Ergebnissen und Simulationen zu den Membran-Nachgiebigkeiten, den Empfindlichkeiten, dem Rauschen, der Strömungsdämpfung und dem akustischen Kurzschluss demonstriert die Gültigkeit der aufgestellten Modelle. Damit steht der Entwicklung ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, das eine Optimierung und produktspezifische Entwicklung der Mikrofone ermöglicht. Ein neu entwickelter Mikrofonprozess verwendet erstmals die monokristalline Siliziumschicht eines SOI (Silicon On Insulator)-Wafers als spannungsfreie Membran zusammen mit einer epitaktisch gewachsenen Silizium-Gegenelektrode. Beeinträchtigt durch thermische Spannungen in der Membranaufhängung erreichen die Mikrofone bei einer Vorspannung von 1 V und einer Membranfläche von 1 mm2 Empfindlichkeiten bis zu 2.4 mV/Pa und einen äquivalenten Rauschschallpegel von 40 dB(A). Weitere Silizium-Mikrofone verwenden eine abgeschiedene polykristalline Siliziumschicht als Membran. Zur Verbesserung der mechanischen Empfindlichkeit werden fortgeschrittene Membrandesigns mit Federstrukturen und Korrugationen eingesetzt. Darüber hinaus verringert eine neue Technologie zur Perforation der Gegenelektrode die akustische Dämpfung und erhöht die akustische Bandbreite der Mikrofone. Mit einer Vorspannung von 3 V werden Empfindlichkeiten deutlich über 10 mV/Pa bei einem Nutzband von 20 Hz – 10 kHz und ein äquivalenter Rauschschallpegel von 27 dB(A) erreicht. Bezüglich dieser elektroakustischen Eigenschaften eignen sich die Silizium-Mikrofone für Telekommunikationsanwendungen.show moreshow less
  • In most microphone applications like mobile phones, hearing aids, camcorders or personal digital assistants electret condenser microphones (ECMs) are installed in high-volume. Recent ECMs use fluorinated polymers as material for the electret foil. Because of the limited temperature resistance of the electret foils, ECMs are soldered by hand. In contrast to standard ECMs, micromachined silicon microphones packaged as surface mounted devices fulfil the temperature requirements of automated assembly lines with reduced costs of placing on a printed circuit board. Further advantages of silicon microphones are small size, good reproducibility, low sensitivity to vibration, low-cost batch fabricatiIn most microphone applications like mobile phones, hearing aids, camcorders or personal digital assistants electret condenser microphones (ECMs) are installed in high-volume. Recent ECMs use fluorinated polymers as material for the electret foil. Because of the limited temperature resistance of the electret foils, ECMs are soldered by hand. In contrast to standard ECMs, micromachined silicon microphones packaged as surface mounted devices fulfil the temperature requirements of automated assembly lines with reduced costs of placing on a printed circuit board. Further advantages of silicon microphones are small size, good reproducibility, low sensitivity to vibration, low-cost batch fabrication and the ability to integrate electronic circuits. This work presents modelling and fabrication of silicon condenser microphones in BiCMOS (Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology. Modelling of silicon microphones for process and design optimization is essential since fabrication and testing are time consuming and cost-intensive. The developed system model of microphones is based on an equivalent network diagram including the non-linear stress-stiffening effect and the mechanical compliance of diaphragms with springs and corrugations analysed by finite element simulations. A very good agreement between experimental and simulation results of the membrane compliance, sensitivity, noise, acoustical damping and acoustical bypass demonstrates the validity of the model. Thus, the presented system model of silicon microphones can be used for optimization and design-to-product development. A new process for the fabrication of silicon microphones uses SOI (Silicon On Insulator) wafers to provide a monocrystalline silicon diaphragm with low stress and a silicon epitaxy to form the counter electrode. Suffering from thermal stress of the membrane support, a microphone sensitivity up to 2.4 mV/Pa and an equivalent noise level of 40 dB(A) is achieved with a 1 mm2 diaphragm and a bias voltage of 1 V. In an alternative fabrication approach, the diaphragm is made of deposited polysilicon. To improve the mechanical compliance, advanced membrane designs with spring and corrugation structures are implemented. Furthermore, acoustical damping and microphone bandwidth are improved by a new perforation technology of the back electrode. Sensitivities above 10 mV/Pa, a flat frequency response from 20 Hz to 10 kHz and an equivalent noise level of 27 dB(A) are achieved for bias voltages of 3 V. Regarding their electro-acoustical performance, the silicon microphones are applicable for telecommunication applications.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marc Füldner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-787
Advisor:Reinhard Lerch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2004/02/11
Release Date:2004/07/29
Tag:BICMOS; microphone
SWD-Keyword:BICMOS; Mikromechanik; Mikrophon
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

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