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新型硅麦克风的设计与分析

作　者: 林江
导　师: 胡建萍
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 硅传声器 类比电路 ANSYS 微电子机械系统
分类号: TN643
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems,简称MEMS)是由微传感器、微执行器、控制电路、接口电路和电源等部件组成,它的发展将会对人类的科学技术、生产方式和生活方式产生深远的影响。在如今社会里,大多数消费类电子产品都沿着小型化、智能化、集成化的方向发展,而MEMS正好顺应了这一市场需求,它们对消费类电子产品的最终影响不仅是尺寸质量的减小,更降低了生产成本,提高了工作性能。硅麦克风,作为微电子机械系统中的重要成员。它集成了MEMS的主要优点,面积可以达到1mm*1mm甚至更小,然而最为主要的是它和集成电路有着相似的工艺流程,国外已经有厂家,比方说德国英飞凌公司,利用集成电路工艺实现了传感器部分和外围电路部分的集成,达到整个系统的微型化。本文主要是对电容式硅麦克风进行分析、设计与制作,因为它有着比其它硅麦克风有着更高的灵敏度、更简单的机械结构。我们主要完成一下几个方面的工作:(1)设计完整的电容式硅麦克风类比电路模型,对其PSPICE仿真得到频谱在10kHz以下基本平坦,频率在1kHz时,输出电压为5.4244mV,在44.008kHz有谐振点;(2)设计新型硅麦克风,计算其压膜系数为0.13,振膜的最大振幅hmax=2.9×10-7m,电容变化率为33.6%;(3)通过ANSYS软件进行仿真和模拟,得到一阶振型的频率点为10.509 kHz,最大位移为2.242×10-7m,应力最大出现在离固定点最近的褶皱拐点处;(4)制作新型硅麦克风,振膜半径为0.5mm,褶皱高度为1μm,褶皱数为1个,褶皱宽度为5μm,背极板面积为1.2mm×1.2mm,厚度为5μm,背极板大量穿孔,背极板上声学孔的面积为100μm×100μm。我们的研究是基于自顶向下的设计思想,先从整体结构的分析来总结出决定电容式硅麦克风的最主要的参数,这主要是通过类比电路来分析;然后对圆形褶皱振膜进行运动特性进行计算;再通过ANSYS软件分析机械结构,然后利用现有的工艺流程来实现MEMS的设计。比较分析发现,我们所设计的新型硅麦克风是符合动力学要求,具有广阔的市场前景。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-13
  1.1 MEMS 概论  10-11
  1.2 硅麦克风的特点  11-12
  1.3 本论文的工作重点  12-13
第2章 新型硅麦克风的建模  13-22
  2.1 MEMS CAD 的介绍  13-14
  2.2 声学模型原理  14-16
    2.2.1 声阻  14
    2.2.2 声容  14-15
    2.2.3 声质量  15-16
  2.3 新型硅麦克风的建模  16-19
    2.3.1 模型分析  16-17
    2.3.2 类比电路  17
    2.3.3 声学部分  17-18
    2.3.4 力学部分  18-19
  2.4 电学部分  19-20
  2.5 小结  20-22
第3章 新型硅麦克风的设计  22-35
  3.1 硅麦克风的动力学分析  22-28
    3.1.1 电容式硅麦克风的影响因素  22-23
    3.1.2 压膜空气阻尼  23-24
    3.1.3 雷诺公式  24-27
    3.1.4 圆形平板振膜的压膜阻尼  27-28
  3.2 圆形振膜的振动分析  28-31
    3.2.1 平板圆形振膜的振动分析  28-29
    3.2.2 褶皱圆形振膜的振动分析  29-31
  3.3 新型硅麦克风的设计  31-33
  3.4 小结  33-35
第4章 基于有限元软件ANSYS 的新型硅麦克风分析  35-51
  4.1 ANSYS 软件的介绍  35
  4.2 ANSYS 的文件  35-36
  4.3 ANSYS 的分析步骤  36-38
    4.3.1 建立有限元模型  36-38
  4.4 圆形振膜的ANSYS 分析  38-46
    4.4.1 线性静力分析  38-42
    4.4.2 动力学分析  42-46
  4.5 褶皱圆形振膜的ANSYS 仿真  46-50
    4.5.1 褶皱模型的建立  47
    4.5.2 定义单元类型，划分网格  47-48
    4.5.3 求解和后处理  48
    4.5.4 后处理  48-50
  4.6 小结  50-51
第5章 新型硅麦克风的加工工艺  51-58
  5.1 微电子机械系统工艺  51
  5.2 新型硅麦克风的制作  51-55
    5.2.1 振膜的制作  52-53
    5.2.2 背极板的制作  53-55
    5.2.3 牺牲层的制作  55
    5.2.4 电极的制作  55
  5.3 制作流程图  55-57
  5.4 小结  57-58
第6章 新型硅麦克风测试平台的搭建  58-61
结束语  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-67
附录1  67-68
详细摘要  68-70

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 电子元件、组件 > 电声器件 > 扬声器
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