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宋金龍 王甫 鳳瑞 李厚旭 周銘 許志勇

（華東光電集成器件研究所 南京理工大學電子工程與光電技術學院）

摘要：

面向生產線設備智能故障診斷與維護預測對低頻、低成本麥克風的應用需求，針對現有微機電系統（ＭＥＭＳ）聲傳感器低頻響應差、高頻資源浪費和精密測量駐極體麥克風成本高的問題，通過分析奧米亞寄生蠅的聽覺器官的工作原理，提出了一種具有抗振動干擾功能的單支點差分結構ＭＥＭＳ仿生麥克風芯片，制定了晶圓級封裝加工流程。建立了有限元仿真模型，仿真分析結果表明：設計的ＭＥＭＳ仿生麥克風芯片的一階諧振頻率為３．９２ｋＨｚ，可以滿足低頻聲波探測的應用需求。聲波靈敏度為３．０４ｆＦ／Ｐａ，振動靈敏度為２．１×１０－４ｆＦ／ｇｎ，可以實現抗振動干擾的目的。在６ｉｎＭＥＭＳ加工平臺上完成了６ｉｎ晶圓的加工與晶圓測試。測試結果表明，所設計加工的ＭＥＭＳ仿生聲敏感芯片電容的一致性比較好。

0引言

生產線設備在線監測可以有效地監測機器設備的工作狀態，對故障進行預判，是企業降低生產成本、效益最大化的重要手段，可以提升工廠針對關鍵設備的預防性維修水平，為生產線的安全、長周期、高效運行提供有力保障［１～４］。近年來，隨著“工業２０２５”、５Ｇ網絡、邊緣計算、大數據和人工智能等技術的發展和預測性維護的重視［５］，生產線設備在線健康狀態監測技術在各種工業場景被廣泛應用。

聲音是由物體振動產生的，設備在工作的過程中運動部件會產生聲波，在工業生產中，設備的噪聲往往能反映出設備各部分運行的狀態［６］。基于振動信號的設備故障診斷是常用的手段［７～９］，但在高溫、高腐蝕或振動傳感器不能停機安裝或安裝位置受限等場合，聲學故障診斷具有非接觸測量、無須事先粘貼傳感器的優勢。此外，聲源定位技術可以實現３６０°全向定位，即使聲波傳播路徑上有障礙物依然可以準確定位聲源位置［１０］。因此，聲學故障診斷是設備故障診斷的重要組成部分，是國內外學者的一個研究熱點。

ＷｕＪ等人將聲學故障診斷應用于汽車空調鼓風機狀態的監測［１１］。ＬｉＷ等人利用發動機的聲音特征，有效地識別出了正常狀態與故障狀態［１２］。ＡｍａｒｎａｔｈＭ等人用經驗模態分解法提取軸承的聲音特征，實現了軸承故障診斷［１３］。陳利君將設備周圍聲音信息前后采樣結果進行比較，通過聲音幅值變化判斷設備是否發生故障，通過聲音頻率判斷設備故障位置［１４］。ＧｌｏｗａｃｚＡ通過對換向器電機的１２個聲學信號進行采集和分析進行故障診斷，故障識別率達到了９５％以上［１５］。ＡｒｒｅｄｏｎｄｏＰＡＤ等人利用完全集成經驗模態分解法把聲音信號分解成多個本征模態函數的方法，有效地提高了故障可檢測性［１６］。劉月等人基于徑向基函數（ｒａｄｉａｌｂａｓｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＲＢＦ）網絡自適應故障觀測器和基于自組織映射（ｓｅｌｆ?ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇｍａｐｐｉｎｇ，ＳＯＭ）網絡的健康狀態評估模型，分別用于控制系統的故障檢測和健康狀態評估［１７］。

麥克風是設備聲學故障診斷的核心組成部分之一，現在使用的麥克風主要有精密測量駐極體麥克風和微機電系統（ＭＥＭＳ）麥克風。然而，精密測量駐極體麥克風成本高不利于實現批量化裝備，在生產線上易受到振動干擾，測量精度受到影響；現有的ＭＥＭＳ麥克風針對人類語音信號設計，低頻資源不足、高頻資源浪費的問題，不能滿足設備故障診斷低頻聲波探測的應用需求。

本文根據仿生原理，提出了一種單支點差分結構ＭＥＭＳ麥克風結構，以前期研制的單支點差分結構加速度傳感器工藝為基礎，制定了加工流程，最后通過有限元仿真分析驗證了方案的可行性。

1結構仿生原理

研究發現奧米亞棕蠅雙耳鼓膜的間距僅為４５０～５２０μｍ，雙耳鼓膜通過角質層連接成了一種差分耦合結構。如圖１，有搖擺和彎曲兩種振動模態，工作在搖擺模態時，兩耳之間的相位差得到了放大，可以檢測聲波的矢量信息。工作在彎曲模態時，由于兩耳的間距遠小于聲波的波長，兩耳之間的相位差可以忽略［１８，１９］。

根據奧米亞棕蠅聽覺器官的搖擺振動模態時的差分放大原理和前期聲源定位的研究基于標量麥克風，提出了一種單支點差分結構標量ＭＥＭＳ仿生麥克風芯片，三維模型如圖２（ａ），主要由蓋板、敏感結構、底板和焊盤組成。蓋板如圖２（ｂ）所示，腔體為敏感結構提供了運動空間，透聲孔使聲波可以作用到敏感結構上，通過焊盤孔進行金絲鍵合將傳感器的電學量與外部連接，鍵合環為晶圓級封裝區域。敏感結構部分如圖２（ｃ）所示，在錨點兩側對稱分布著２個敏感結構，敏感結構通過２個連接梁剛性連接，關于錨點對稱分布的２個扭轉梁將２個連接梁懸置在錨點上，隔離槽將敏感結構與周圍隔離，硅焊盤為金屬焊盤的載體，鍵合環與蓋板的鍵合環為玻璃漿料鍵合。底板如圖２（ｄ）所示，下電極上開設有一定數量的阻尼孔，調節傳感器的阻尼比，使傳感器獲得最優的工作帶寬，硅導線將電極與硅焊盤電學連接，鍵合環與敏感結構部分的鍵合環進行硅硅鍵合。

2有限元仿真分析

2.1模態分析

2.1.1無阻尼模態分析

在不考慮空氣壓膜阻尼和靜電力作用時，麥克風芯片的一階模態振型如圖３（ａ）所示，敏感結構繞ｙ軸轉動，符合差分檢測聲波信號的要求，一階固有頻率為５．５６ｋＨｚ；二階模態振型如圖３（ｂ）所示，敏感結構繞ｚ軸轉動，不符合檢測聲波信號的要求，二階固有頻率為１８．１４ｋＨｚ，為一階固有頻率的３．２６倍，說明傳感器具有較強的抗干擾能力。

2.1.2有阻尼模態分析

傳感器在實際工作中會受到空氣壓膜阻尼和靜電力的作用，進行預應力模態仿真分析時，設置電容器兩極板間的電勢差為２Ｖ，壓膜阻尼的分析采用修正雷諾方程，參考氣壓為一個標準大氣壓。預應力模態分析結果如圖４所示，特征頻率的實部為３．９２ｋＨｚ，虛部為３．９７ｋＨｚ，則傳感器的阻尼比ξ為

式中ｆ為傳感器的固有頻率；Ｉ（ｆ）為傳感器頻率的虛部，表示傳感器能量的損耗；｜ｆ｜為傳感器頻率的模。

麥克風芯片諧振頻率的理論值為

式中ｆｎ為傳感器的一階固有頻率。傳感器諧振頻率的仿真值與理論值誤差為０．５１％，表明建立的仿真模型具有很高的準確度。預應力模態仿真結果表明，本文設計的麥克風芯片結構可以使其具有較優的頻率響應特性，具有最優的工作帶寬。

2.2頻域分析

考慮空氣壓膜阻尼和靜電力的作用，分析壓膜阻尼時采用修正雷諾方程，電容器極板間的電勢差為２Ｖ，激勵信號的頻率為１０～５０００Ｈｚ，步長為２００Ｈｚ。

2.2.1聲波信號激勵

仿真聲波信號作為麥克風芯片的激勵信號時，在其中一個敏感單元表面施加幅值為１Ｐａ的聲信號。麥克風芯片電容變化量的頻率曲線如圖５所示，電容變化量最大值為３．０４ｆＦ，即聲學靈敏度為３．０４ｆＦ／Ｐａ。

2.2.2振動信號激勵

仿真振動干擾作為麥克風芯片的激勵信號時，在傳感器的Ｚ軸方向施加－１０ｇｎ的振動加速度。麥克風芯片電容變化量的頻率曲線如圖６所示，電容變化量最大值為２１×１０－４ｆＦ，即傳感器的振動靈敏度為２．１×１０－４ｆＦ／Ｐａ。預應力頻域仿真結果表明，麥克風芯片的聲學靈敏度遠遠大于振動靈敏度，具備檢測聲波信號、抗振動干擾的功能。

３工藝流程

單支點差分ＭＥＭＳ仿生麥克風芯片的加工需要用到３片晶圓，其中１片雙拋片，２片絕緣體上硅（ｓｉｌｉｃｏｎ?ｏｎ?ｉｎｓｕ?ｌａｔｏｒ，ＳＯＩ）片。雙拋片作為蓋板，ＳＯＩ?Ａ片作為麥克風的底板，器件層的厚度為５ｍ，ＳＯＩ?Ｂ作為麥克風的敏感結構，器件層的厚度為５０ｍ，２片ＳＯＩ片的器件層和襯底層的電阻率均為０．０１～０．０２Ω·ｃｍ，雙拋硅片的電阻率為１～１０Ω·ｃｍ。以單個麥克風芯片的剖面為例，制定的工藝流程如下：

１）ＳＯＩ?Ａ器件層刻蝕，刻蝕深度為上、下電極之間的距離，如圖７（ａ）；２）ＳＯＩ?Ａ氧化，在下電極生成一層氧化層，防止上、下電極接觸時發生短路，如圖７（ｂ）；３）去除鍵合區和阻尼孔中的氧化層，保留下電極表面的氧化層，如圖７（ｃ）；４）刻蝕ＳＯＩ?Ａ器件層到氧化層，隔離下電極，如圖７（ｄ）；５）刻蝕阻尼孔，先刻蝕ＳＯＩ?Ａ片的氧化層，再刻蝕ＳＯＩ片的襯底層，如圖７（ｅ）；６）ＳＯＩ?Ａ與ＳＯＩ?Ｂ進行硅硅鍵合，如圖７（ｆ）；７）減薄，去除ＳＯＩ?Ｂ的襯底層和氧化層，如圖７（ｇ）；８）刻蝕ＳＯＩ?Ｂ的器件層，釋放敏感結構，如圖７（ｈ）；９）硅硬掩模加工金屬焊盤；１０）雙拋硅片兩面同時腐蝕，加工透聲孔和腔體，如圖７（ｉ）；１１）鍵合，用玻璃漿料將雙拋硅片與ＳＯＩ鍵合片進行鍵合，如圖７（ｊ）；１２）激光劃片，得到單個敏感單元。

在工藝線上加工完成的７ｉｎ（１ｉｎ＝２．５４ｃｍ）晶圓如圖８所示，晶圓表面清潔無顆粒。

晶圓上某個器件（未加透聲蓋板）在顯微鏡下的照片如圖９所示，如為了提高傳感器的靈敏度，在實際加工時設計了雙差分結構，下電極Ａ—１（Ｂ—１）與Ａ—２（Ｂ—２）對角設置，通過硅導線Ａ將下電極Ａ—１與Ａ—２互連，通過硅導線Ｂ將下電極Ｂ—１與Ｂ—２互連，２個敏感結構的電勢通過下電極的硅導線互連，透聲孔設置在下電極Ａ—１和Ａ—２的正上方。

４晶圓測試

為了初步評判晶圓的加工結果，根據設計工藝版圖中金屬焊盤的相對位置，設計了晶圓測試探卡，對芯片的靜態電容進行測試。測試時上電極焊盤接地，２個下電極焊盤分別接＋２Ｖ，襯底焊盤懸空。晶圓上某個芯片的測試結果及部分數據說明如圖１０所示，２個電容的差值比初始值小３個數量級，說明芯片的對稱性比較好。

根據每個芯片的測試結果繪制的晶圓測試如圖１１所示，實線包圍區域（Ｂ）表示測試結果合格，虛線包圍區域（Ａ）表示測試結果不合格，白色圓形邊框表示晶圓的邊界，晶圓上Ｂ區域以外的地方沒有設置器件。經過在顯微鏡下觀察，Ａ區域不合格是由于芯片結構損壞導致。

５結論

本文基于仿生原理提出了一種單支點差分結構ＭＥＭＳ仿生麥克風芯片，根據６ｉｎＭＥＭＳ加工平臺的工藝基礎，制定了麥克風芯片的加工流程。有限元模態仿真結果表明，設計的麥克風芯片的一階固有頻率為５．５６ｋＨｚ，可滿足低頻聲波信號探測的需求；頻域仿真結果表明，所設計麥克風芯片的聲學靈敏度遠遠大于振動靈敏度，具有抗振動干擾的功能。得益于單支點結構的優勢，與其他結構的麥克風芯片相比，性能受加工和封裝過程中應力的影響比較小。本文已經完成６ｉｎ晶圓的加工以及晶圓測試，下一步將進行封裝測試等工作。

審核編輯 黃宇