专利名称：微电容式麦克风系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及麦克风系统，特别涉及一种宽频带微机械加工的(mircromachined)电容式麦克风系统(下称微电容式麦克风系统)。
背景技术：
日前兴起的电容式微超声换能器(capacitor Micromachined UltrasonicTransducers，cMUT)已成为压电式换能器的一种重要的替代品。它可以提供一组范围更宽的参数来优化换能器的性能，并易于制造及电子集成。这种超声换能器的制造及操作已被众多刊物及专利所揭露。例如，美国专利5,619,476、5,870,351、5,894,452等揭示了电容式超声换能器的制造技术。该电容式超声换能器的薄膜被若干个绝缘支撑支持在基体上。该绝缘支撑由氮化硅、二氧化硅或聚酰胺制成，并与薄膜的边缘接触。在基体与所述薄膜表面的一层导电膜间施加一电压，从而使该薄膜振动并发出声波。将换能器浸入一种美国专利6,493,288揭示的封闭液体使薄膜封闭后，换能器便可以投入应用。前述换能器可具有多个相同或不同形状和/或大小的薄膜。使用时，利用电激发控制以得到预期的波束方向图，以使多元件换能器形成一个或多个阵列。
一个优质的麦克风应具有如下特性首先，必须具有较高的灵敏度，以使其可检测到最低达2×10-5帕斯卡(Pa)的压力，与人耳可检测到的最低声级相对应，且可在较宽的频带范围内运作。其中，较高的灵敏度意味着麦克风的总固有噪声很低。第二，具有较好的稳固性，以便于麦克风可在户外使用而不会因湿气或凝固而发生衰退或损坏其功能。第三，易于制造及电子集成。最后，它还应具有抗震、抗高加速、耐高温等性能。
许多微电容式麦克风使用的薄膜结构与大型麦克风或录音室录音用的麦克风的薄膜结构相似。一种常用电容式麦克风结构如图1所示，包括悬挂于导电信号板15上的导电薄膜11，该导电信号板15上穿戳有声音开孔13。当冲压波振动薄膜11时则可以检测到声音，并改变换能器12的容量。正常使用时，电容式麦克风(即换能器)的容量变化可通过测量一定偏置电压下的输出电流18来检测。支撑室17内设有压力平衡通道14，用于保护薄膜11，以免其因大气压力的波动而被信号板15击破。用于测量或校正的精密电容式麦克风，其位于薄膜后方设有数量级为20微米的相对较大的气隙，方可具有均匀的频响。微硅麦克风，其薄膜尺寸为1-2毫米，因为较小尺寸的薄膜导致运动缩减，因而需要的气隙16的数量级为几个微米才能保持足够的灵敏度。然而，气隙尺寸的减少将扩大挤压膜阻尼(squeeze-film damping)、引入频率依赖性的刚度及损耗(introducing frequency-dependent stiffness and loss)等的影响，这将使声频的机械响应产生不良变化。况且，因为高声压可能导致薄膜在其偏置电压下破裂，所以获得一个宽的变化范围及高的灵敏度是两个相互矛盾的目的。可见，传统结构灵敏度低，特别是在低频带使用时灵敏度低，且在户外潮湿环境中使用时缺乏稳固性。
美国专利5,619,476、5,870,351、5,894,452及6,493,288都揭示了传统的电容式微超声换能器(capacitor Micromachined Ultrasonic Transducers，cMUT)，亦即微电容式麦克风，例如，具有100个单元的这种传统的换能器，其中每个单元的尺寸为200微米、气隙为0.5微米、薄膜的厚度为1微米，将所有的单个单元密封从而使电容的气隙不至暴露在环境中，以利于抵抗湿度，甚至可以在潮湿的环境中使用。当其用作接收器，使用传统的检测方案时，在前述单元之间施加30.745伏特的直流电压，且其输出给放大器，该放大器具有如下特性参数Rin＝2兆欧(MΩ)，Cin＝1皮发拉(pf)，Vnoise＝1.4纳伏/赫兹(nV/Hz)，Inoise＝0.01帕斯卡/平方赫兹(Pa/√Hz)，当频率低于100千赫兹(KHz)时，信噪比急剧下降。也就是说，在频率低于100千赫兹(KHz)时可以获得一个信号，但灵敏度非常低。
另外，美国专利6,493,288揭示的一种cMUT，请同时参阅图2，该微电容式麦克风是由多个小的、密封的、真空单元构成，各单元具有薄膜21，金属电极22覆盖在薄膜21上。该薄膜21在其边缘由绝缘支撑24以一定间距支撑在导电基体23上。内部空间25抽真空。虽然该cMUT可在宽频带使用，但是其金属电极22覆盖了薄膜21的整个长度，这样进一步缩减了声压作用下薄膜21的运动。这种缩减的运动最终结果将导致电容的变化更小，甚至低于麦克风的总体灵敏度，因此灵敏度很低。
另外，传统cMUT的设计还具有制造时易扩缩的缺陷。
实用新型内容本实用新型旨在解决上述问题而提供一种具有高灵敏度和稳固性的微电容式麦克风系统。
为实现前述目的，本实用新型提供一种微电容式麦克风系统，包括若干个微电容式单元排列形成的麦克风阵列，各微电容式单元包括低电极，支撑在低电极上的薄膜，在薄膜与低电极之间形成有真空密封空间，所述微电容式麦克风系统还包括一个射频检测电路，所述麦克风阵列是该射频检测电路的一个组成部分。
薄膜表面的中心部分覆盖有中心信号线，在薄膜两侧各形成一接地电极，两接地电极与中心信号构成共面传输线，所述接地电极与低电极电接触。
所述射频检测电路还包括振荡器、相位调整器、混频器及低通滤波器，振荡器的一输出端与麦克风阵列的输入端连接，麦克风阵列的输出端与混频器的射频输入端口连接，振荡器的另一输出端与相位调整器的第一输入端连接，相位调整器的输出端与所述混频器的本机振荡器端口连接，从混频器中输出的信号经低通滤波器滤波后输出。
所述低通滤波器的输出端与放大器相连接，所述混频器的第二输出端通过一正交反馈回路与所述相位调整器的第二输入端连接。
所述射频检测电路还包振荡器、相位调整器、减法器、放大器、混频器及低通滤波器，振荡器的第一输出端通过麦克风阵列与减法器的第一输入端连接，振荡器的第二输出端通过相位调整器与减法器的第二输入端连接，振荡器的第三输出端直接与混频器的第一输入端连接，减法器的输出端通过放大器与混频器的第二输入端连接，混频器的输出端与低通滤波器连接。
所述相位调整器通过衰减器与减法器相连接。
与现有技术相较，本实用新型麦克风系统具有真空密封的薄膜电容，且具有射频检测电路，因此其灵敏度及稳固性更好，易于制造及电子集成，且在宽频带内具有均匀频响。
图1为传统微电容式麦克风单元的横截面示意图。
图2是现有技术的多单元cMUT麦克风一个代表性单元的横截面示意图。
图3是本实用新型微电容式麦克风系统的一个微电容单元的立体图。
图4是图3的主视图。
图5是由多个电容单元组成的麦克风阵列模压结构示意图。
图6是可伸缩模压结构的麦克风阵列的模板示意图。
图7是图5和图6所示麦克风阵列的等同传输线路示意图。
图8是本实用新型微电容式麦克风系统的射频检测电路图。
图9是本实用新型微电容式麦克风系统的电容薄膜在大气压负载作用下测量的偏差曲线图。
图10是本实用新型微机械加工麦克风系统的另一种射频检测电路图。
图11是麦克风输出端测量的声音信号及固有噪声信号曲线图，以及使用图10的检测电路时的潜在固有噪声基线。
具体实施方式
请同时参照图3-6，本实用新型的微电容式麦克风系统包括一个可伸缩式麦克风阵列40(见图5和图6)，该麦克风阵列40是由一定数量的微电容单元30沿一射频传输线周期性地间隔排列组成，从而形成一条电容式加载传输线。各微电容单元30的具体结构请参阅图3-4，包括硅基体34，在硅基体34表面覆盖有第一层多晶硅膜36和氮化硅膜39。在第一层氮化硅膜39上叠有第二层多晶硅膜36，其中心部分区域形成掺杂层而作为低电极35。在第二层多晶硅膜36上层叠有第二层氮化硅膜39，在低电极35上支撑有一电容薄膜32。该电容薄膜32实为一氮化硅薄膜，且与低电极35之间形成真空密封空间37。在电容薄膜32两侧各形成一接地电极33，该接地电极33与低电极35电连接。
上述传输线结构是通过在薄膜32上使用一个共面的波导传输线而实现的。该共面的波导传输线包括三个导体中心信号线31、两接地电极33。其中，中心信号线31横贯于薄膜32中心区域上，两接地电极33分别位于一排薄膜32两侧。该共面传输线具有屏蔽作用，从而使麦克风系统的灵敏度更高。
各电容薄膜32下方均具有低电极35，该低电极35自薄膜32的中心位置下向接地电极33延伸，该低电极35是由局部掺杂的多晶硅膜制成。用多晶硅取代金属制造导体的理由在于在沉积氮化硅薄膜时需要很高的温度，而这一般来说往往要超过普通金属的熔解温度。
微电容单元30排列成麦克风阵列40，请具体参阅图5-6的掩模示意图，各电容单元30之间由前述传输线相连接而实现信号的传输，所形成的传输线越长，麦克风系统的灵敏度越高。所述麦克风阵列40具有可伸缩性，也就是说，可以根据具体需要而选择电容单元30的数目，即传输线的长度或麦克风阵列40的尺寸。浇道(die streets)38一般为100微米(μm)宽，以利于将麦克风阵列40按所需尺寸切割成片。
上述微电容单元30使用真空封装膜，这种结构在麦克风领域具有重要的应用。首先，真空且不使用穿孔的信号板意味着薄膜背后的空气强度为零。其二，因为薄膜背面无空气流通的通道，这样挤压膜的阻抗被消除，而挤压膜的阻抗是其他电容式麦克风在音频范围内产生噪音的主要来源。最后，在支撑腔室没有使用依赖频率的电路元件，且在电路组件中不采用压力平衡通道，因此频响均匀性也被提高。与不封装的标准麦克风不同，封装的麦克风结构不发生声音低频上移。事实上，该薄膜对任意低频的刺激均发生响应，包括大气压的波动在内。
电容式麦克风是一种平板电容器，输入声音信号振动麦克风的薄膜，而导致在输入声音信号频率时总体电容变化。薄膜的振动可由测量总体电容的变化而测量，在声压下，其大致与薄膜的位移成线性函数。这通常可以通过在平行平板之间施加一固定的偏置电压时测量麦克风的电流输出值来测量。使用N个小的cMUT薄膜，而不使用具有相同面积的单个薄膜，由于参数N缩减了前述位移及电容的预期变化，从而使得cMUT薄膜产生均匀、持久响应。所幸的是，该cMUT封装结构的固有噪声非常小，这意味着可获得一个灵敏的麦克风。用射频检测技术可补偿薄膜的微小位移反应，便可以灵敏地检测微小的电容变化。
将前述麦克风阵列40安装或封装在印刷电路板芯片上，该印刷电路板芯片上具有检测信号处理的电子元件。该检测信号处理的电子元件在本实用新型中与麦克风阵列40一起构成一射频检测电路，各电子元件集成在印刷电路板的芯片上，也可将用于信号处理的电子元件和麦克风阵列40直接组装成上述微电容式麦克风系统。
封装在印刷电路板芯片上以后，微cMUT麦克风单元电容式地加载于具有电容性薄膜的传输线上。这种结构，如图7所示，其可用作毫米波的微波信号滤波器，但在其通带范围内仍可用作射频信号的传输线。在图7中，Z0为一部分传输线的特性电阻，其由单个的麦克风单元形成，ΔC为麦克风单元的电容变化，当传输线上的电容膜在声压作用下发生振动时，传输线的传播常数，亦即射频信号的相位速度，发生变化。因此，沿加载传输线发射的射频载波信号被冲击在电容薄膜上的声音信号进行相位调制。而后续的相位解调则是利用相位检波电路恢复该声音信号的。
当麦克风作为相位检波电路的一个组成部分时，射频载波的相位调制就可以被检测到，如图8所示，其用于检测电子装置的相位变化。该电路首先将来自振荡器41的射频信号分裂成两个支流。其中第一支流通过可伸缩式麦克风阵列40，借助cMUT薄膜上的声音信号对射频信号进行相位调制。其中，信号满足下述等式VRE＝V1cos(2πfct+φ(t))(1)其中，V1和fc分别是射频载波的振幅及频率，Φ(t)表示与声音信号相关的一定的时变相位调制。而第二支流将一基准信号通过相位调整器42传播至混频器44的本机振荡器(Local Oscillator，LO)端口，按如下算术式进行VLO＝V2cos(2πfct+φ) (2)其中V2是电压信号的幅度，φ表示相对于VRF的一定固定相位基准。混频器44在其输入端口进行信号相乘，其总积(不等于输入频率)输出至输出元件上，与电压振幅Kd的关系如下VRF×VLO＝Kd[cos(Φ(t)-φ)+cos(4πfct+Φ(t)+φ)](3)一个低通滤波器45在混频器44的输出端口处移除载波频率的倍频成分，即2fc，以及可能产生的附加高次谐波。该解调(或基带)信号VO＝Kdcos(Φ(t)-φ)(4)由相变条件Φ(t)与固定相位基准φ组成。调节φ为π/2拉德(rad)，从而使两个信号在混频器44中正交，此时，所述解调信号VO与Φ(t)的小量相变化成比例VO＝Kdcos(Φ(t))≈KdΦ(t)(5)因Φ(t)与电容的变化成比例，恢复Φ(t)便可重新获得施加于薄膜上声音信号。比例系数Kd充当混频器44的相位检波常数，其单位为伏特/拉德(V/rad)，且将射频载波的弧度周相移动转变成基带电压信号。附加放大器46将信号放大至预期标准。正交反馈回路43自动锁定于混频器44的正交点，且用于补偿因温度或震动等造成的频率或相位等的任何偏移，还将直流电的偏移降低到最小。因时间常数可选择，所以电路运作的稳定性便被提高。从附加放大器46输出的声频信号可再经过一个放大器后输出至扬声器(未图示)。
上述射频检测系统具有一些突出的优点首先，相互连接的所有电容单元都合并在所述射频传输线结构中，这一点对于由许多电容相互连接，如cMUTs构成的麦克风尤其重要，因为恒压检测系统中的任何一个寄生电容都会降低其灵敏度。第二，尽管在薄膜上可施加电压以校准偏差和改变灵敏度或标准，但是在操作过程中不需要施加直流偏置电压。另外，在射频检测系统中，混频器44的出端阻抗是低阻抗，一般约50欧姆(Ω)，因此不需要使用具有高阻抗输入的放大器。最后，输出信号与Φ(t)中的声频变化无关，因此，本实用新型的宽带麦克风可保持cMUT结构的低频响应。如图8所示的电路图，固定相位基准φ，也可以检测大气压的变化或电子元件中的慢漂移。因此，通过电压控制的相位调整器或者在所述薄膜上施加一个可变偏置电压，以实现反馈，从而消除长期偏移。因此，通过选择反馈信号的时间常数，系统可检测的最小频率变成可以选择。
卸载射频传输线的传播常数，单位为拉德/米(rad/m)，为 其中fc射频载波频率，Lt和Ct分别为传输线的感应系数和电容。为确定薄膜电容器的效果，卸载传输线的总长度可被看作N部分线的复合，每部分线长为d。电容式加载传输线的相位长度是由将单个薄膜电容合并在集总的电抗性传输线模组的各部分中而进行计算的。因此，加载传输线的总弧度相位长度为
Φ=2πfcNLtd(Ctd+Cm)---(6)]]>一种计算声压作用下的周相移动ΔΦ的方法，以Cm+ΔCm加载时的传输线的相长减去以薄膜的静态电容Cm加载时的传输线的相长，如下式所示ΔΦ=2πfcN[Ltd(Ctd+Cm+ΔCm)-Ltd(Ctd+Cm)]---(7)]]>其中ΔCm是薄膜电容的变化。但是，ΔΦ的一个更为简单的近似表达可根据加载传输线的阻抗ZL的特性阻抗获得。将与Cm相关电容的微小变化线性化而对等式(6)微分可得ΔΦ≈πfcNLtCt1+CmCtdΔCm---(8)]]>如果Cm相对于一部分卸载传输线的电容较小时，Cm/(Ctd)可忽略，简化结果表达式并替换加载传输线的阻抗ZL≈Z0=Lt/Ct,]]>等式(8)变为Δφ≈πfcNZLΔCm(9)如果Cm改为表征该部分卸载传输线的电容，则分数Cm/(Ctd)表征等式(8)分母的开方。加载传输线的阻抗也可以Cm表示，所以ZL≈Ltd/CmLtd/Cm,]]>用ZL代替而得到与等式(9)相同的结果。因此，等式(9)也可以用于前述两种情形下近似计算周相移动。更重要的是，前述表达式预示着周相移动与薄膜电容的波动ΔCm、薄膜的数目N、以及射频的载波频率fc成比例。
因此，利用器件参数(device parameters)可以通过等式(8)或(9)计算周相移动。当相位检波电路在2.8GHz(千兆赫)运作，本实用新型所制造的麦克风阵列40对于1Pa rms(均方值为1帕斯卡)声压的预期周相移动幅度为58.6微拉德(μrad)。计算出的加载传输线的阻抗为34.5欧姆(Ω)，而消除相位检波电路中阻抗匹配网络需要时，其它射频电路元件的一般阻抗50欧姆，相比之下，本实用新型的加载传输线的阻抗要小得多。
在麦克风系统中使用封装cMUT可以提供其对声压的均匀的宽频带响应，同时还可阻隔灰尘污染及湿气的侵蚀。另一方面，因为使用较小、较硬的薄膜将减小检测器对压力的机械响应，从而降低麦克风的总体灵敏度。许多常用于降低薄膜刚度的方法在本实用新型的设备中是不可实施的，因为本实用新型的薄膜的刚度必须维持其被完全支撑及封装，以获得持久性及响应性的优点。然而，我们仍然有机会减小薄膜刚度而提高灵敏度以及改进射频检波电路。
一种减小薄膜刚度的方法是采用减小中心信号线31的宽度，请同时参阅图3-4。图9揭示了从本实用新型的麦克风系统中沿其金属传输线测量的薄膜的光学干涉仪测试图。从该测试图可见，在薄膜宽度为190微米(μm)时，仅薄膜的中心部分发生的偏置最大，并与低电极一起形成电容器向传输线提供电容。因此，中心信号线31可以减小至仅覆盖薄膜的中心(或偏置)部分，从而有效地降低薄膜的刚度，而不至于影响声压下的电容变化。
这也是改进麦克风中所述射频检波技术的最佳方法。因为加载传输线将电容变化转变为相位变化，因此，增加射频载波的相位调制或者降低相位检波电子组件的噪声的方法都可以改进麦克风的灵敏度。
通过采用更高的射频频率，与麦克风传输线结构有关的射频载波的周相移动便可增加。因为周相移动与fc成比例，由等式(9)可知，如果Kd保持不变，每个倍频可将信号电平提高到6分贝(dB)。但是，必须选用合适的射频，才可以平衡随传输线内的射频损耗的增加而导致的周相移动增加以及在更高操作频率下检波电子组件的固有噪声电平的增加。
除了从麦克风的传输线方面来增加相移外，相位检波电路的灵敏度也可以用来改进麦克风的总体灵敏度。在另一实施例中，采用射频干涉仪来抑制载波，请参阅图10。因为抑制载波可防止混频器44的饱和，因此，可以在进入混频器44之前在射频频率时直接放大相位调整信号。因为在射频频率时可以使用低噪声、窄频带的放大器，因此，混频器固有的1/f噪声及基带放大噪声的影响可以得到减弱。这样，系统固有噪声电平可以达到基础电热噪声限度。图10揭示一个改进了的相位检波电路。如果使用9千兆赫兹(GHz)的载波频率以及与本实用新型的电路相同的射频功率，该改进相位检波电路在音频信号为1千赫兹(kHz)时，它的相位变化检测灵敏度可以达到均方值(rms)为0.3纳拉德/平方赫兹(nrad/√Hz)。在图10中，电路首先将来自振荡器41的射频信号分裂成三股支流。第一支流从麦克风阵列40中通过，利用cMUT薄膜上的声压对射频信号进行相位调制。来自振荡器41的第二支流通过相位调整器51，从相位调整器51输出的信号通过衰减器48进行衰减之后，信号输入至减法器49，cMUT薄膜调制的信号也输入至减法器49，两信号在减法器49内进行减法运算。从减法器49中输出的差额信号经过放大器46进行放大，再输入至混频器44中。第三支流自振荡器41直接输入到混频器44的RF端口。混频器44的输出信号经低通滤波器45移除载波频率的倍频成分，即2fc，以及可能产生的附加高次谐波。从低通滤波器45输出的声频信号可以再次通过一个放大器放大后传输至扬声器(未图示)。
图11是本实用新型的cMUT麦克风的性能测试图。该麦克风系统使用图8所示的射频检波电路，其所具备的实际固有噪声电平(Existing Noise Floor)可表征麦克风低频总体噪声。然而，使用图10的射频检波电路，麦克风的固有噪声电平就可以降低为图11中的虚线所示。这表明，利用载波抑制的相位检波布局可显著提高1kHz(千赫兹)时的灵敏度。在更低的声频或亚声频时灵敏度的提高更为显著。
为更好地提高本实用新型的麦克风系统的抗潮湿性能，可在麦克风阵列40表面涂覆一层抗水涂层，例如，涂覆聚对苯二甲撑(parylene)涂层。这样，本实用新型的麦克风系统即使在水中也可以使用。
权利要求1.一种微电容式麦克风系统，包括若干个微电容式单元排列形成的麦克风阵列，各微电容式单元包括低电极，支撑在低电极上的薄膜，在薄膜与低电极之间形成有真空密封空间，其特征在于所述微电容式麦克风系统还包括一个射频检测电路，所述麦克风阵列是所述射频检测电路的一个组成部分。
2.如权利要求1所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述微电容式单元还包括硅基体，低电极层叠在硅基体上。
3.如权利要求1所述的微电容式麦克风系统，其特征在于薄膜表面的中心部分覆盖有中心信号线，在薄膜两侧各形成一接地电极，两接地电极与中心信号线构成共面传输线，所述接地电极与低电极电接触。
4.如权利要求1所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述低电极为掺杂多晶硅层，所述薄膜为氮化硅膜。
5.如权利要求1所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述掺杂多晶硅层是三氯氧化磷掺杂多晶硅。
6.如权利要求2所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述硅基体与所述低电极之间设有氮化硅绝缘膜。
7.如权利要求1所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述射频检测电路还包括振荡器、相位调整器、混频器及低通滤波器，振荡器的一输出端与麦克风阵列的输入端连接，麦克风阵列的输出端与混频器的射频输入端口连接，振荡器的另一输出端与相位调整器的第一输入端连接，相位调整器的输出端与所述混频器的本机振荡器端口连接，从混频器中输出的信号经低通滤波器滤波后输出。
8.如权利要求7所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述低通滤波器的输出端与放大器相连接，所述混频器的第二输出端通过一正交反馈回路与所述相位调整器的第二输入端连接。
9.如权利要求1所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述射频检测电路还包振荡器、相位调整器、减法器、放大器、混频器及低通滤波器，振荡器的第一输出端通过麦克风阵列与减法器的第一输入端连接，振荡器的第二输出端通过相位调整器与减法器的第二输入端连接，振荡器的第三输出端直接与混频器的第一输入端连接，减法器的输出端通过放大器与混频器的第二输入端连接，混频器的输出端与低通滤波器连接。
10.如权利要求9所述的微电容式麦克风系统，其特征在于所述相位调整器通过衰减器与减法器相连接。
专利摘要一种微电容式麦克风系统，包括若干个微电容式单元排列形成的麦克风阵列，各微电容式单元包括低电极，支撑在低电极上的薄膜，在薄膜与低电极之间形成有真空密封空间，所述微电容式麦克风系统还包括一个射频检测电路，所述麦克风阵列是该射频检测电路的一个组成部分。本实用新型的电容式麦克风具有灵敏度高、稳固性好的优点，且在宽频带内具有均匀频响。
文档编号H04R19/01GK2738507SQ200420000089
公开日2005年11月2日 申请日期2004年1月5日 优先权日2004年1月5日
发明者王云龙 申请人:美国通用微机电系统公司