宋金龙 王甫 凤瑞 李厚旭 周铭 许志勇
（华东光电集成器件研究所 南京理工大学电子工程与光电技能学院）
择要：
面向生产线设备智能故障诊断与掩护预测对低频、低本钱麦克风的运用需求，针对现有微机电系统（ＭＥＭＳ）声传感器低频相应差、高频资源摧残浪费蹂躏和精密丈量驻极体麦克风本钱高的问题，通过剖析奥米亚寄生蝇的听觉器官的事情事理，提出了一种具有抗振动滋扰功能的单支点差分构造ＭＥＭＳ仿生麦克风芯片，制订了晶圆级封装加工流程。建立了有限元仿真模型，仿真剖析结果表明：设计的ＭＥＭＳ仿生麦克风芯片的一阶谐振频率为３．９２ｋＨｚ，可以知足低频声波探测的运用需求。声波灵敏度为３．０４ｆＦ／Ｐａ，振动灵敏度为２．１×１０－４ｆＦ／ｇｎ，可以实现抗振动滋扰的目的。在６ｉｎＭＥＭＳ加工平台上完成了６ｉｎ晶圆的加工与晶圆测试。测试结果表明，所设计加工的ＭＥＭＳ仿生声敏感芯片电容的同等性比较好。
0弁言
生产线设备在线监测可以有效地监测机器设备的事情状态，对故障进行预判，是企业降落生产本钱、效益最大化的主要手段，可以提升工厂针对关键设备的预防性维修水平，为生产线的安全、长周期、高效运行供应有力保障［１～４］。近年来，随着“工业２０２５”、５Ｇ网络、边缘打算、大数据和人工智能等技能的发展和预测性掩护的重视［５］，生产线设备在线康健状态监测技能在各种工业场景被广泛运用。
声音是由物体振动产生的，设备在事情的过程中运动部件会产生声波，在工业生产中，设备的噪声每每能反响出设备各部分运行的状态［６］。基于振动旗子暗记的设备故障诊断是常用的手段［７～９］，但在高温、高堕落或振动传感器不能停机安装或安装位置受限等场合，声学故障诊断具有非打仗丈量、无须事先粘贴传感器的上风。此外，声源定位技能可以实现３６０°全向定位，纵然声波传播路径上有障碍物依然可以准确定位声源位置［１０］。因此，声学故障诊断是设备故障诊断的主要组成部分，是国内外学者的一个研究热点。
ＷｕＪ等人将声学故障诊断运用于汽车空调鼓风机状态的监测［１１］。ＬｉＷ等人利用发动机的声音特色，有效地识别出了正常状态与故障状态［１２］。ＡｍａｒｎａｔｈＭ等人用履历模态分解法提取轴承的声音特色，实现了轴承故障诊断［１３］。陈利君将设备周围声音信息前后采样结果进行比较，通过声音幅值变革判断设备是否发生故障，通过声音频率判断设备故障位置［１４］。ＧｌｏｗａｃｚＡ通过对换向器电机的１２个声学旗子暗记进行采集和剖析进行故障诊断，故障识别率达到了９５％以上［１５］。ＡｒｒｅｄｏｎｄｏＰＡＤ等人利用完备集成履历模态分解法把声音旗子暗记分解成多个本征模态函数的方法，有效地提高了故障可检测性［１６］。刘月等人基于径向基函数（ｒａｄｉａｌｂａｓｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＲＢＦ）网络自适应故障不雅观测器和基于自组织映射（ｓｅｌｆ⁃ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇｍａｐｐｉｎｇ，ＳＯＭ）网络的康健状态评估模型，分别用于掌握系统的故障检测和康健状态评估［１７］。
麦克风是设备声学故障诊断的核心组成部分之一，现在利用的麦克风紧张有精密丈量驻极体麦克风和微机电系统（ＭＥＭＳ）麦克风。然而，精密丈量驻极体麦克风本钱高不利于实现批量化妆备，在生产线上易受到振动滋扰，丈量精度受到影响；现有的ＭＥＭＳ麦克风针对人类语音旗子暗记设计，低频资源不敷、高频资源摧残浪费蹂躏的问题，不能知足设备故障诊断低频声波探测的运用需求。
本文根据仿生事理，提出了一种单支点差分构造ＭＥＭＳ麦克风构造，以前期研制的单支点差分构造加速度传感器工艺为根本，制订了加工流程，末了通过有限元仿真剖析验证了方案的可行性。
1构造仿生事理
研究创造奥米亚棕蝇双耳鼓膜的间距仅为４５０～５２０μｍ，双耳鼓膜通过角质层连接成了一种差分耦合构造。如图１，有摇摆和波折两种振动模态，事情在摇摆模态时，两耳之间的相位差得到了放大，可以检测声波的矢量信息。事情在波折模态时，由于两耳的间距远小于声波的波长，两耳之间的相位差可以忽略［１８，１９］。
根据奥米亚棕蝇听觉器官的摇摆振动模态时的差分放大事理和前期声源定位的研究基于标量麦克风，提出了一种单支点差分构造标量ＭＥＭＳ仿生麦克风芯片，三维模型如图２（ａ），紧张由盖板、敏感构造、底板和焊盘组成。盖板如图２（ｂ）所示，腔体为敏感构造供应了运动空间，透声孔使声波可以浸染到敏感构造上，通过焊盘孔进行金丝键合将传感器的电学量与外部连接，键合环为晶圆级封装区域。敏感构造部分如图２（ｃ）所示，在锚点两侧对称分布着２个敏感构造，敏感构造通过２个连接梁刚性连接，关于锚点对称分布的２个旋转梁将２个连接梁悬置在锚点上，隔离槽将敏感构造与周围隔离，硅焊盘为金属焊盘的载体，键合环与盖板的键合环为玻璃浆料键合。底板如图２（ｄ）所示，下电极上开设有一定数量的阻尼孔，调节传感器的阻尼比，使传感器得到最优的事情带宽，硅导线将电极与硅焊盘电学连接，键合环与敏感构造部分的键合环进行硅硅键合。
2有限元仿真剖析
2.1模态剖析
2.1.1无阻尼模态剖析
在不考虑空气压膜阻尼和静电力浸染时，麦克风芯片的一阶模态振型如图３（ａ）所示，敏感构造绕ｙ轴迁徙改变，符合差分检测声波旗子暗记的哀求，一阶固有频率为５．５６ｋＨｚ；二阶模态振型如图３（ｂ）所示，敏感构造绕ｚ轴迁徙改变，不符合检测声波旗子暗记的哀求，二阶固有频率为１８．１４ｋＨｚ，为一阶固有频率的３．２６倍，解释传感用具有较强的抗滋扰能力。
2.1.2有阻尼模态剖析
传感器在实际事情中会受到空气压膜阻尼和静电力的浸染，进行预应力模态仿真剖析时，设置电容器两极板间的电势差为２Ｖ，压膜阻尼的剖析采取改动雷诺方程，参考气压为一个标准大气压。预应力模态剖析结果如图４所示，特色频率的实部为３．９２ｋＨｚ，虚部为３．９７ｋＨｚ，则传感器的阻尼比ξ为
式中ｆ为传感器的固有频率；Ｉ（ｆ）为传感器频率的虚部，表示传感器能量的损耗；｜ｆ｜为传感器频率的模。
麦克风芯片谐振频率的理论值为
式中 ｆｎ为传感器的一阶固有频率。传感器谐振频率的仿真值与理论值偏差为０．５１％，表明建立的仿真模型具有很高的准确度。预应力模态仿真结果表明，本文设计的麦克风芯片构造可以使其具有较优的频率相应特性，具有最优的事情带宽。
2.2频域剖析
考虑空气压膜阻尼和静电力的浸染，剖析压膜阻尼时采取改动雷诺方程，电容器极板间的电势差为２Ｖ，勉励旗子暗记的频率为１０～５０００Ｈｚ，步长为２００Ｈｚ。
2.2.1声波旗子暗记勉励
仿真声波旗子暗记作为麦克风芯片的勉励旗子暗记时，在个中一个敏感单元表面施加幅值为１Ｐａ的声旗子暗记。麦克风芯片电容变革量的频率曲线如图５所示，电容变革量最大值为３．０４ｆＦ，即声学灵敏度为３．０４ｆＦ／Ｐａ。
2.2.2振动旗子暗记勉励
仿真振动滋扰作为麦克风芯片的勉励旗子暗记时，在传感器的Ｚ轴方向施加－１０ｇｎ的振动加速度。麦克风芯片电容变革量的频率曲线如图６所示，电容变革量最大值为２１×１０－４ｆＦ，即传感器的振动灵敏度为２．１×１０－４ｆＦ／Ｐａ。预应力频域仿真结果表明，麦克风芯片的声学灵敏度远远大于振动灵敏度，具备检测声波旗子暗记、抗振动滋扰的功能。
３工艺流程
单支点差分ＭＥＭＳ仿生麦克风芯片的加工须要用到３片晶圆，个中１片双抛片，２片绝缘体上硅（ｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｏｎ⁃ｉｎｓｕ⁃ｌａｔｏｒ，ＳＯＩ）片。双抛片作为盖板，ＳＯＩ⁃Ａ片作为麦克风的底板，器件层的厚度为５ｍ，ＳＯＩ⁃Ｂ作为麦克风的敏感构造，器件层的厚度为５０ｍ，２片ＳＯＩ片的器件层和衬底层的电阻率均为０．０１～０．０２Ω·ｃｍ，双抛硅片的电阻率为１～１０Ω·ｃｍ。以单个麦克风芯片的剖面为例，制订的工艺流程如下：
１）ＳＯＩ⁃Ａ器件层刻蚀，刻蚀深度为上、下电极之间的间隔，如图７（ａ）；２）ＳＯＩ⁃Ａ氧化，不才电极天生一层氧化层，防止上、下电极打仗时发生短路，如图７（ｂ）；３）去除键合区和阻尼孔中的氧化层，保留下电极表面的氧化层，如图７（ｃ）；４）刻蚀ＳＯＩ⁃Ａ器件层到氧化层，隔离下电极，如图７（ｄ）；５）刻蚀阻尼孔，先刻蚀ＳＯＩ⁃Ａ片的氧化层，再刻蚀ＳＯＩ片的衬底层，如图７（ｅ）；６）ＳＯＩ⁃Ａ与ＳＯＩ⁃Ｂ进行硅硅键合，如图７（ｆ）；７）减薄，去除ＳＯＩ⁃Ｂ的衬底层和氧化层，如图７（ｇ）；８）刻蚀ＳＯＩ⁃Ｂ的器件层，开释敏感构造，如图７（ｈ）；９）硅硬掩模加工金属焊盘；１０）双抛硅片两面同时堕落，加工透声孔和腔体，如图７（ｉ）；１１）键合，用玻璃浆料将双抛硅片与ＳＯＩ键合片进行键合，如图７（ｊ）；１２）激光划片，得到单个敏感单元。
在工艺线上加工完成的７ｉｎ（１ｉｎ＝２．５４ｃｍ）晶圆如图８所示，晶圆表面清洁无颗粒。
晶圆上某个器件（未加透声盖板）在显微镜下的照片如图９所示，如为了提高传感器的灵敏度，在实际加工时设计了双差分构造，下电极Ａ—１（Ｂ—１）与Ａ—２（Ｂ—２）对角设置，通过硅导线Ａ将下电极Ａ—１与Ａ—２互连，通过硅导线Ｂ将下电极Ｂ—１与Ｂ—２互连，２个敏感构造的电势通过下电极的硅导线互连，透声孔设置不才电极Ａ—１和Ａ—２的正上方。
４晶圆测试
为了初步评判晶圆的加工结果，根据设计工艺版图中金属焊盘的相对位置，设计了晶圆测试探卡，对芯片的静态电容进行测试。测试时上电极焊盘接地，２个下电极焊盘分别接＋２Ｖ，衬底焊盘悬空。晶圆上某个芯片的测试结果及部分数据解释如图１０所示，２个电容的差值比初始值小３个数量级，解释芯片的对称性比较好。
根据每个芯片的测试结果绘制的晶圆测试如图１１所示，实线包围区域（Ｂ）表示测试结果合格，虚线包围区域（Ａ）表示测试结果不合格，白色圆形边框表示晶圆的边界，晶圆上Ｂ区域以外的地方没有设置器件。经由在显微镜下不雅观察，Ａ区域不合格是由于芯片构造破坏导致。
５结论
本文基于仿生事理提出了一种单支点差分构造ＭＥＭＳ仿生麦克风芯片，根据６ｉｎＭＥＭＳ加工平台的工艺根本，制订了麦克风芯片的加工流程。有限元模态仿真结果表明，设计的麦克风芯片的一阶固有频率为５．５６ｋＨｚ，可知足低频声波旗子暗记探测的需求；频域仿真结果表明，所设计麦克风芯片的声学灵敏度远远大于振动灵敏度，具有抗振动滋扰的功能。得益于单支点构造的上风，与其他构造的麦克风芯片比较，性能受加工和封装过程中应力的影响比较小。本文已经完成６ｉｎ晶圆的加工以及晶圆测试，下一步将进行封装测试等事情。
