引言
麥克風在我們日常生活中的應用廣泛，只要是接收聲音轉換為電訊號的場合都看得到，例如手機、電話、對講機、耳機、多媒體電腦、錄音筆、助聽器到目前流行的互動式電子狗、電子恐龍等等，還有識別身分的聲紋辨識與衛星導航或是家電人工智慧的聲控裝置等新興潛力應用，利用半導體加工製作的麥克風與傳統麥克風相比具有微型化、省電與多功能的特性，特別適合於助聽器或是超薄手機等要求性能以及體積的高階市場應用，而批量生產的特性被視為取代傳統PE膜動圈式麥克風的利基所在，因此吸引以助聽器為本業的樓氏（Knowles）積極投入開發更多。目前市面上已有將微型麥克風與電路封裝成為單一麥克風之產品，而隨著各式影音產品的應用，陣列型或是數位麥克風將成為下一波應用重要的需求。
為針對消費性應用市場的未來功能需求與國內技術開發之需要，工研院南分院微系統中心研究開發了整合MEMS感測器結構與放大電路於一體的MEMS麥克風。本文旨在提出工研院南分院微系統中心MEMS麥克風之結構與利用標準IC製程製作，使得麥克風與電路IC可以成為SOC的整合晶片設計，可達到數位及陣列化之未來需求目的。
麥克風種類
麥克風是一種將聲音能量轉換為電能的機構，能將聲音轉換成電訊號來記錄。目前市面上的麥克風大概可分為：
駐電極體式麥克風（Electret Microphone）
此類型麥克風（如圖一所示）是由一片很輕的振動膜及駐極電荷的背極板所組成的基本工作原理為聲壓入射使金屬振動板振動時，振動板與電極板會隨音波的振動，產生距離上的變化，這種物理變化的現象，為靜電容量的變化。因駐極式電容麥克風的靜電容量值很小，電器的耗電流量較大，須由場效電晶體（FET）阻抗匹配及訊號放大而獲得明顯的電壓訊號。一個駐極式電容麥克風構成內部零件相當精密，其對外部的雜音很敏感，因此為預防灰塵或異物質的侵蝕及電器雜音，需以緊緊密封且只有音波可進入之圓形金屬殼進行元件封裝。
電容式麥克風
電容式麥克風（如圖二所示）由一個導電的薄板與多孔的背板（back plate）形成電容結構，薄板受聲壓作用而變形造成電容值改變，前級的讀取電路負責將電容變化轉換為電壓輸出，再經由後級放大器將輸出訊號提高到所需的強度，實際的麥克風結構如圖二所示，薄板兩側的靜態壓力由一通道相連，因此薄板僅反應動態的壓力變化，背腔（back chamber）為封閉空間提供部分的彈性回復力，可用於調整聲阻（acoustic impedance）與整體頻率響應特性。
電容式麥克風相關尺寸與材料包括：
- ●固定電極（背板）約20～30um厚，為了降低空氣隙的剛性，固定電極上有許多穿孔，通至另一空氣室。
- ●運動電極（振動膜）厚約4～6um，一般使用鎳、杜拉鋁（Duralumin）或是非金屬材料（Myler），以張力固定在週邊。
動圈式麥克風（Dynamic Microphone）
動圈式麥克風（如圖三所示）基本的構造包含線圈、振膜、永久磁鐵三部份。當聲波進入麥克風，振膜受到聲波的壓力而產生振動，與振膜連接在一起的線圈則開始在磁場中移動，根據法拉第定（Faradays）律以及冷次（Lenz）定律，線圈會產生感應電流。動圈式麥克風有?優秀的最大?入聲壓承受能力，在很大的聲壓下，不容易過?，且其使用之材料如線圈和磁鐵，材質堅固，抗潮濕， 故價格較便宜，但體積不易縮小。動圈式麥克風由於振膜連結線圈，負載較重，因此靈敏度較低，高頻響應不夠，適合用來近距離收錄鼓聲及人聲，用途像是家庭伴唱或是到專業的收音。
MEMS麥克風原理
麥克風結構
麥克風的功能係將聲音轉化為電壓，利用薄膜結構感測音壓產生相對應的變形，再將薄膜變形以電容感測方法讀出為電壓，實際上人耳對聲音的敏感度與頻率有關，頻率響應呈現山丘狀的曲線稱為A-weighted function，加權之後的頻率響應才是人耳真正感受到的聲音表現。
電容式麥克風（如圖四所示）由一個導電的薄板與多孔的背板形成電容結構，薄板受聲壓作用而變形造成電容值改變，前級的讀取電路負責將電容變化轉換為電壓輸出，再經由後級放大器將輸出訊號提高到所需的強度，實際的麥克風結構如圖四所示，薄板兩側的靜態壓力由一通道相連，因此薄板僅反應動態的壓力變化，背腔為封閉空間提供部分的彈性回復力，可用於調整聲阻（acoustic impedance）與整體頻率響應特性。
電氣特性
典型的電容式麥克風如圖五所示，穩定的電壓源Vin透過電阻Rb施加偏壓Vb在感測電容Cs，Cp為寄生電容，Cc是個大電容用來阻隔直流電壓並取出感測到的交流電壓，由於麥克風感測電容約在0.5pF～4pF的等級，交流阻抗相對很大，因此需要配合很大的Rb使麥克風保持在固定電荷的條件下運作，由於聲壓感測要求高靈敏度，必須儘可能抑制雜訊的產生，利用JFET製程製作的場效電晶體具有雜訊低的優點，因此單一電晶體的JFET共汲極放大器（common-drain amplifier）常使用在前級放大器（preamplifier）階段，同時preamplifier也必須肩負阻抗調整的功能，電容式麥克風極大的輸出阻抗在此階段轉換為極小的值，確保第二級的運算放大器可以順利將感測電壓放大。
機械特性
電容式麥克風包含有空氣運動的聲學域、薄板運動的機械域與輸出電壓的電氣域的交互影響，同時受到偏壓產生的靜電力、空氣聲壓、空氣阻力、結構彈性力作用，無法找出描述其行為的解析公式，因此在設計上通常以由圖六的等效電路模型來簡化表示，聲學域、機械域與電器域可利用變壓器的觀念來做轉換。
首先在聲壓p的作用下產生體積流率U，兩者的比值定義為聲阻，聲波首先遇到感測薄膜產生交互作用，轉變為薄膜結構的機械域動作，機械域則以力量F與運動速度v定義機械阻抗，變壓器的轉換率Gm實際為薄膜等效面積，聲波薄膜表面的輻射作用可以用阻尼Rr與質量Mr來表示，而薄膜本身的彈性回復力與慣性力可以用柔度Cm與質量Mm表示。
由於薄膜受聲壓作用而動態變形，推動空氣又轉變為聲學域，空氣間隙內存在質量Mg與阻尼Rg，當空氣流過聲孔時會受到阻尼Rh與質量Mh作用，最後空氣流入密閉的背腔，由於空氣被壓縮的彈性效應而產生一柔度Cbc，將這些影響因子適當地連接起來可以將聲阻Za或機械組抗Zm用等效電路表示。
由於音頻麥克風屬於低頻操作，且薄膜尺寸遠小於聲波長，因此聲場輻射的影響輕微，而空氣隙與聲孔內的彈性力與空氣質量在低頻時亦可忽略，實際在麥克風設計的最重要考量因子為Mm、Cm、Rg、Rh與Cbc。由於電容式麥克風係感測電容Cs之變化，薄膜的動態變形決定了電容值，因此必須再由機械域轉換到電氣域操作，變壓器的轉換率定義為Ge，其關係可由靜態的靈敏度分析求出，而寄生電容Cp在共汲極放大器讀取架構下會影響量測輸出，因此也必須一併考慮。
整體特性
靈敏度、頻率響應與輸入參考雜訊為反映麥克風性能之技術指標，典型的電容式麥克風具有5～20mV/Pa之靈敏度，截止頻率由1Hz延伸到20kHz的範圍，首先將靈敏度S0定義為輸出電壓與聲壓之比值（公式1-1），靈敏度可分解為機械靈敏度（Sm）與電性靈敏度（Se）以方便進行設計分工，機械靈敏度定義為薄膜位移與聲壓的比值，將聲學域轉換至機械域之等效電路如圖七所示，必須注意此處Rr、Mr、Rg、Mg、Rh、Mh與Cbc均已轉換至機械域，其數值與原聲學域之定義不同，利用機械阻抗（Zm）的表示法如公式1-2所示，電性靈敏度定義為輸出電壓與薄膜位移的比值，以圖五的電路架構來分析，選擇極大的直流阻絕電阻Cc可得到公式1-3的關係，在微小變形的操作條件下可簡化為線性關係，公式1-4表示系統的靈敏度，當麥克風在低頻操作時可得到如公式1-5的關係，其中km為等效彈簧常數係Cm倒數之值，低頻運作實際上反應出準靜態（quasi static）壓力計的特性。
機械雜訊主要由氣體分子熱振動產生，thermal–mechanical noise可以由Nyquist formula加以描述，雜訊聲壓可表示為公式二的關係，其中kB為波茲曼常數（Boltzmann constant），T為絕對溫度，空氣阻尼Rair主要由Rg與Rh構成，A為薄板面積。
利用聲壓力轉換為電壓輸出的靈敏度可以整合機械雜訊和電路雜訊模型，整個系統的輸出可以由圖八來表示，整體的輸出雜訊如公式3-1所示，此麥克風可感知的最小聲壓力如公式3-2所示，其中靈敏度、機械雜訊和電路雜訊都可以用設計參數來表示，因此我們可以由數學上的極限值計算方法針對最小感測聲壓做最佳化設計。
性能指標
麥克風設計之重要規格包括有感測靈敏度、頻率響應、動態範圍、諧波失真、噪音位準、溫度敏感度、環境壓力敏感度、震動敏感度等等，分述如下：
感測靈敏度（sensing sensitivity）
靈敏度定義為輸出電壓除以聲壓，單位以Volt/Pa表示，一般以1kHz做為量測的頻率，未做電壓放大時的微電容式麥克風靈敏度約在5～20 mV/Pa範圍。
頻率響應（frequency response）
表一表示典型的麥克風頻率響應圖，可以看出在低頻部分感度會下降，而高頻部份會依突出之峰值和下降的部份，低頻截止頻率是由靜壓力平衡孔所控制，該孔功用是避免大氣壓力變化時對麥克風產生誤動作，因此低頻的聲壓作用也會變得不敏感，定義以0dB感度為基準時-3dB時的頻率；高頻截止頻率是由感測薄膜的共振所決定，其共振頻率由薄膜材質、尺寸、殘留應力、背腔貢獻的勁度所控制，而空氣阻尼由薄膜與背板間隙以及背板孔洞所控制，阻尼會影響薄膜共振時在機械放大倍率部份的峰值，使得接近共振頻率時的頻率響應更為平緩，定義以0dB感度為基準時-2dB時的頻率。
![《表一 典型的電容式麥克風頻率響應圖(B&K type 4146)[1]》](/art/2009/02/020000003244/t1.gif)
| 《表一 典型的電容式麥克風頻率響應圖(B&K type 4146)[1]》 |
|
諧波失真（harmonic distortion）
諧波失真表示聲壓與輸出電壓的非線性關係，產生所謂失真現象，薄膜變形與電容值的變化原本就不是線性關係，唯有在微小變形時可視為線性關係，此外薄膜在大變形時會有所謂應力強化（stress stiffening）效應，亦會造成彈性非線性現象，而使得諧波失真更為明顯，以特定聲壓作用時的失真百分比％表示之。
噪音位準（noise level）
麥克風自身的噪音聲壓除上基準聲壓（sound pressure level）20Pa，以A-weighted function加權過的噪音位準以dBA_SPL表示之。
動態範圍（dynamic range）
麥克風可感測到的最低與最高音壓位準，最低音壓位準由噪音位準所決定，而最高音壓位準則由諧波失真所決定，通常取3%的諧波失真為上限，動態範圍定義為最高與最低音壓位準之間的範圍，單位以dB表示。
溫度敏感度（temperature sensitivity）
溫度變化所造成的麥克風電壓輸出，定義為輸出電壓與溫度差的比值，單位以Volt/℃表示。
環境壓力敏感度（ambient sensitivity）
環境壓力變化所造成的麥克風電壓輸出，定義為輸出電壓與空氣壓力的比值，單位以Volt/Pa表示。
震動敏感度（vibration sensitivity）
機械震動所造成的麥克風電壓輸出，定義為輸出電壓與震動的比值，單位以Volt/(m/sec2)表示。
MEMS麥克風設計
為針對目前消費性應用市場的性能需求，工研院南分院微系統中心利用CMOS製程研究開發了整合MEMS感測器結構與放大電路於一體的MEMS麥克風。此一設計將麥克風結構利用標準IC製程製作，使得麥克風與電路IC可以成為SOC的整合晶片設計，以達到數位及陣列化之需求目的。
Ring type圓形之聲波感測元件設計
由於製程殘留應力對麥克風感應靈敏度影響很大，故須對麥克風結構進行設計使其受製程殘留應力影響較小，在此工研院南分院微系統中心以自有專利結構進行麥克風技術開發，以期建立內自有技術。
CMOS製程
麥克風基本設計方式為上下兩層圓形薄膜結構，彼此間，因外力產生相對形變，外加偏壓而產生電容變化，麥克風就成為一個隨外界音壓變化的可變電容，吾人可藉由外部電路將聲音轉換成電訊號，而本設計利用CMOS製程製作麥克風，並且可與電路作整合降低因連接線路產生的雜訊干擾，但由於CMOS製程主要設計目的是為了類比與數位電路，並非專?微系統結構設計，因此Poly薄膜本身會殘留一定量的應力，需要利用外部設計的測試鍵進行量測，進而將量測數值代入解析解或是數值解進行分析與結構設計。
麥克風靈敏度是一般元件採購者最先考慮的性能參數，雖然利用CMOS製程便利性整合電路於元件週邊可以利用增益值放大訊號，如果元件本身可以輸出較大的訊號可以在後端得到較高的訊雜比。
以公式表示
根據公式4所示，A表示薄膜面積，Vb表示偏壓Cs表示電容變化，Cp表示殘餘電容，km表示結構彈簧常數，σ表示殘餘應力，d表示兩平行電容板間距，可以得知薄膜殘餘應力σ對於電容式感測器會有減低靈敏度的影響，薄膜上的應力來源主要是薄膜製程在沉積時的環境溫度甚高於一般使用溫度，因材料彼此間熱膨脹係數之不同，就會累積產生張應力或是壓應力，要將應力降低可以從製程與結構設計方面著手，製程方面控制沉積與回火的溫度與時間可以有效將低應力的產生，但是CMOS製程是標準IC製程，無法做修改，所以此種方式僅能使用在一般的MEMS製程。
Knowles釋放應力架構設計
無固定邊界且懸浮的結構可以達到無殘餘應力的目標，也就是可以讓結構隨著溫度變化自由伸展將應力減到最低，例如一般微懸臂樑，僅一邊是固定在結構上，而另外三面皆脫離上下結構層，如圖九所示。而1996年Knowles專利[5] 如圖十所示，也利用此原理設計出relaxed麥克風使用懸臂樑讓結構三面得以釋放應力產生形變，再利用電極板施加偏壓向下吸附固定周邊；1999年Peter[6]等人延伸此應用設計出大型平板僅固定一邊的結構，如圖十一所示。之後為了減少製程複雜度，逐漸演變成立體形式的麥克風結構，並且利用正切函數[7]作為邊界軟化的結構，讓應力可以利用此彈簧釋放，如圖十二所示。因此從這幾篇Knowles專利可以看見應力釋放對於麥克風結構靈敏度之重要性，10年來演進，均以降低應力影響為主軸並且配合減化製程降低成本為考量。
![《圖十 1996年Knowles懸浮結構消除應力之麥克風結構圖[2]》](/art/2009/02/020000003244/p10.gif)
| 《圖十 1996年Knowles懸浮結構消除應力之麥克風結構圖[2]》 |
|
![《圖十一 1999年Knowles懸浮結構消除應力之麥克風結構圖[3]》](/art/2009/02/020000003244/p11.gif)
| 《圖十一 1999年Knowles懸浮結構消除應力之麥克風結構圖[3]》 |
|
![《圖十二 2006年Knowles利用邊界旋轉釋放應力麥克風結構圖[4]》](/art/2009/02/020000003244/p12.gif)
| 《圖十二 2006年Knowles利用邊界旋轉釋放應力麥克風結構圖[4]》 |
|
原型薄膜釋放應力設計
CMOS製程中可以利用來製作麥克風結構的層有Poly、Metal等，本次設計使用Poly作為薄膜結構層，Metal作為薄膜下電極，主要目的是發展在一個邊界固定，且薄膜對製程殘留薄膜應力（residual stress）有釋放之能力之結構。圖十三為工研院南分院微系統中心主要之設計示意圖，薄膜周邊是固定端，圓型薄膜中有兩排孔槽，可以藉由孔槽所形成的交錯彈簧來釋放製程所產生的應力，如紅色箭頭表示壓應力，可以藉由彈簧分散至周邊，藍色箭頭是張應力，也同樣的利用彈簧將力量分散，從相關FEM結果可以發現此種設計概念，可同時提升感測器靈敏度且縮小元件面積，在單一晶圓上可製作更多數目的元件，有助於降低成本。
圖十四為圖十三示意圖的簡化模型，以30度角扇型做為一個單位以加快模擬速度。對模型施加100MPa的張應力，在固定slot角度與長度的情況下，若改變兩孔之間的間距spacer，可以發現當間距越大時中央的應力會緩慢上升，如表二，此間距可視為一個彈簧結構，結構粗細除了影響應力釋放外，也會影響到結構第一共振頻率高低，如表三所示。
| 《表二 Slot spacer對薄膜中央應力鬆弛百分比》 |
|
| 《表三 Slot spacer對結構共振頻率影響》 |
|
與業界成果比較
目前業界Knowles麥克風在未加掛電路所得到的靈敏度約為-42dB，也就是5mv/Pa，在不同的製程條件與設計理念下，工研院利用Ring type交錯式孔槽結構設計可達成並超越此一規格，從圖十五表示薄膜厚度固定的情況下，改變結構幾何設計，產生不同的最大點位移量，對應到它的共振頻率會有一個類似反比的關係，因此在理想情況下第一共振頻率為20KHz，所得到的最大位移量約為130nm，由此關係我們可以推測要增加薄膜靈敏度需要降低第一共振頻率點，除了從最大點位移量來判斷結構設計是否達成需求，我們也可以利用ANSYS在固定3V偏壓下，外加1Pa的音壓可以使薄膜產生形變如圖十六所示。
CMOS-MEMS麥克風結構
圖十七顯示本設計利用多晶矽作為感測薄膜結構層，犧牲層厚度即是metal與poly之距離，背板結構之anchor部分應使用絕緣材料（如PECVD SiNx）作為結構以降低寄生電容。
Poly麥克風後製程
CMOS麥克風製程之製程步驟見圖十八所示，首先將晶圓廠產出之晶片以電感耦合電漿（ICP）進行垂直式的矽基材深蝕刻，最後以BOE或是Silox等濕式蝕刻去除IMD-ox犧牲層完成麥克風製作，如圖十八、圖十九所示。
| 《圖十七 CMOS MIC製程流程示意圖：（a）標準積體電路晶片；（b）RIE蝕刻出背板結構；（c）HF蝕刻去除SiO2犧牲層》 |
|
量測結果與討論
工研院微系統中心利用CMOS MEMS製程完成元件製作，在麥克風元件切割與封裝前，利用自行開發之晶圓級的電壓–電容（C-V）特性量測技術對麥克風進行作動特性確認，以確定POST CMOS後製程可將麥克風結構釋放。圖二十為工研院微系統中心自行開發之麥克風晶圓級檢測系統與利用Knowles麥克風進行電容C-V特性量測結果，藉由此一技術可以協助國內代工廠與封裝廠進行元件Known Bad Die檢測。
| 《圖十九 麥克風晶圓級檢測系統與麥克風電容C-V特性量測結果示意圖》 |
|
工研院微系統中心以Ring type之應力釋放設計克服製程殘留應力影響，除此之外，為提升元件技術競爭力，麥克風在設計上以3V偏壓驅動作為元件驅動電壓設計之想法，以減少升壓電路所佔之電路面積提升元件市場競爭力。表四所示工研院微系統中心之麥克風在5V偏壓驅動下之電容值變化值。以工研院設計實現之感測器配合市售LMV1012在驅動電壓2V下所量取之訊號如圖二十一所示，感測器之頻響在1KHz可達-58dB，此一性能表現能滿足現有消費產品之需求
此外，工研院微系統中心亦申請麥克風超薄型封裝結構之專利，以避開國際競爭廠商之專利封鎖。藉此一元件設計與封裝專利將可使國內產業技術深根。
結論
本文介紹了由工研院南分院微系統科技中心所設計開發完成之電容式微機電麥克風，此MEMS麥克風以Ring type之應力釋放設計可克服製程殘留應力影響，此外，為提升元件技術競爭力，工研院南分院微系統科技中心之麥克風在5V偏壓驅動下之電容值變化值，可以減少升壓電路所佔之電路面積，提升元件市場競爭力。以工研院設計實現之感測器配合市售LMV1012在驅動電壓2V下，感測器之頻響在1KHz可達-58dB，此一性能表現使工研院之MEMS麥克風能滿足現有消費產品之需求。為建立台灣封測技術，工研院南分院微系統科技中心也開發Known Bad Die晶圓級C-V檢測技術與麥克風超薄型封裝結構，進一步協助台灣麥克風產業。
未來語音雜訊抑制與聲控辨識之應用需求日趨重要，工研院南分院微系統科技中心之麥克風元件的設計，因利用CMOS製程實現將可以整合讀取電路於單一元件上，使得麥克風與電路IC可以成為SoC的整合晶片，此一技術整合可達到數位及陣列化之未來需求目的，讓台灣產業於技術競爭取得優勢，提昇台灣產業競爭力。
（本文作者均任職於工研院南分院微系統科技中心）
＜參考文獻：
[1] George S. K. Wong, Tony F. W. Embleton, “AIP Handbook of Condenser Microphones, Theory, Calibration, and Measurements,” AIP Press, New York, 1995
[2] D.R. Sparks， S. R. Zarabadi， J. D. Johnson， Q. Jiang， M. Chia， O. Larson， W. Hidgon， P. Castillo-Borelley， “A CMOS integrated surface micromachined angular rate sensor，” Dig. Tech. Papers Transducers ’97， 1997， pp. 851-854.
[3] F. Mayer， Thermal CMOS Anemomenter， Ph.D. Thesis， No. 12741， ETH Zurich， Zurich， Switzerland， 1998.
[4] N. Schneeberger， CMOS Microsystems for Thermal Presence Detection， Ph.D. Thesis， No. 12675， ETH Zurich， Zurich， Switzerland， 1998.
[5] US5490220 : Feb.06，1996，”Solid state condenser and microphone devices” Inventors – Peter V. Loeppert， Hoffman Estates.
[6] US5870482 :Feb.09， 1999，”Miniature silicon condenser microphone” Invertors- Peter V. Loeppert， Hoffman Estates， David E， G. Ellyn.
[7] US7023066 :Apr.04， 2006，”Silicon microphone” Invertors- Sung Bok Lee， Chicago， Peter V. Loeppert， Hoffman Estates.＞
相關時事單元
相關產業類別
相關關鍵字
相關組織
相關產品類別
相關網站單元