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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(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院）

摘要：

面向生產(chǎn)線設(shè)備智能故障診斷與維護(hù)預(yù)測對低頻、低成本麥克風(fēng)的應(yīng)用需求，針對現(xiàn)有微機(jī)電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）聲傳感器低頻響應(yīng)差、高頻資源浪費(fèi)和精密測量駐極體麥克風(fēng)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(dòng)干擾功能的單支點(diǎn)差分結(jié)構(gòu)ＭＥＭＳ仿生麥克風(fēng)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(jié)果表明：設(shè)計(jì)的ＭＥＭＳ仿生麥克風(fēng)芯片的一階諧振頻率為３．９２ｋＨｚ，可以滿足低頻聲波探測的應(yīng)用需求。聲波靈敏度為３．０４ｆＦ／Ｐａ，振動(dòng)靈敏度為２．１×１０－４ｆＦ／ｇｎ，可以實(shí)現(xiàn)抗振動(dòng)干擾的目的。在６ｉｎＭＥＭＳ加工平臺(tái)上完成了６ｉｎ晶圓的加工與晶圓測試。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)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(chǎn)線設(shè)備在線監(jiān)測可以有效地監(jiān)測機(jī)器設(shè)備的工作狀態(tài)，對故障進(jìn)行預(yù)判，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、效益最大化的重要手段，可以提升工廠針對關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)防性維修水平，為生產(chǎn)線的安全、長周期、高效運(yùn)行提供有力保障［１～４］。近年來，隨著“工業(yè)２０２５”、５Ｇ網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展和預(yù)測性維護(hù)的重視［５］，生產(chǎn)線設(shè)備在線健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在各種工業(yè)場景被廣泛應(yīng)用。

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，設(shè)備在工作的過程中運(yùn)動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生聲波，在工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備的噪聲往往能反映出設(shè)備各部分運(yùn)行的狀態(tài)［６］?；谡駝?dòng)信號的設(shè)備故障診斷是常用的手段［７～９］，但在高溫、高腐蝕或振動(dòng)傳感器不能停機(jī)安裝或安裝位置受限等場合，聲學(xué)故障診斷具有非接觸測量、無須事先粘貼傳感器的優(yōu)勢。此外，聲源定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)３６０°全向定位，即使聲波傳播路徑上有障礙物依然可以準(zhǔn)確定位聲源位置［１０］。因此，聲學(xué)故障診斷是設(shè)備故障診斷的重要組成部分，是國內(nèi)外學(xué)者的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

ＷｕＪ等人將聲學(xué)故障診斷應(yīng)用于汽車空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測［１１］。ＬｉＷ等人利用發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音特征，有效地識別出了正常狀態(tài)與故障狀態(tài)［１２］。ＡｍａｒｎａｔｈＭ等人用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法提取軸承的聲音特征，實(shí)現(xiàn)了軸承故障診斷［１３］。陳利君將設(shè)備周圍聲音信息前后采樣結(jié)果進(jìn)行比較，通過聲音幅值變化判斷設(shè)備是否發(fā)生故障，通過聲音頻率判斷設(shè)備故障位置［１４］。ＧｌｏｗａｃｚＡ通過對換向器電機(jī)的１２個(gè)聲學(xué)信號進(jìn)行采集和分析進(jìn)行故障診斷，故障識別率達(dá)到了９５％以上［１５］。ＡｒｒｅｄｏｎｄｏＰＡＤ等人利用完全集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法把聲音信號分解成多個(gè)本征模態(tài)函數(shù)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(shù)（ｒａｄｉａｌｂａｓｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＲＢＦ）網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)故障觀測器和基于自組織映射（ｓｅｌｆ?ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇｍａｐｐｉｎｇ，ＳＯＭ）網(wǎng)絡(luò)的健康狀態(tài)評估模型，分別用于控制系統(tǒng)的故障檢測和健康狀態(tài)評估［１７］。

麥克風(fēng)是設(shè)備聲學(xué)故障診斷的核心組成部分之一，現(xiàn)在使用的麥克風(fēng)主要有精密測量駐極體麥克風(fēng)和微機(jī)電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）麥克風(fēng)。然而，精密測量駐極體麥克風(fēng)成本高不利于實(shí)現(xiàn)批量化裝備，在生產(chǎn)線上易受到振動(dòng)干擾，測量精度受到影響；現(xiàn)有的ＭＥＭＳ麥克風(fēng)針對人類語音信號設(shè)計(jì)，低頻資源不足、高頻資源浪費(fèi)的問題，不能滿足設(shè)備故障診斷低頻聲波探測的應(yīng)用需求。

本文根據(jù)仿生原理，提出了一種單支點(diǎn)差分結(jié)構(gòu)ＭＥＭＳ麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)，以前期研制的單支點(diǎn)差分結(jié)構(gòu)加速度傳感器工藝為基礎(chǔ)，制定了加工流程，最后通過有限元仿真分析驗(yàn)證了方案的可行性。

1結(jié)構(gòu)仿生原理

研究發(fā)現(xiàn)奧米亞棕蠅雙耳鼓膜的間距僅為４５０～５２０μｍ，雙耳鼓膜通過角質(zhì)層連接成了一種差分耦合結(jié)構(gòu)。如圖１，有搖擺和彎曲兩種振動(dòng)模態(tài)，工作在搖擺模態(tài)時(shí)，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(tài)時(shí)，由于兩耳的間距遠(yuǎn)小于聲波的波長，兩耳之間的相位差可以忽略［１８，１９］。

根據(jù)奧米亞棕蠅聽覺器官的搖擺振動(dòng)模態(tài)時(shí)的差分放大原理和前期聲源定位的研究基于標(biāo)量麥克風(fēng)，提出了一種單支點(diǎn)差分結(jié)構(gòu)標(biāo)量ＭＥＭＳ仿生麥克風(fēng)芯片，三維模型如圖２（ａ），主要由蓋板、敏感結(jié)構(gòu)、底板和焊盤組成。蓋板如圖２（ｂ）所示，腔體為敏感結(jié)構(gòu)提供了運(yùn)動(dòng)空間，透聲孔使聲波可以作用到敏感結(jié)構(gòu)上，通過焊盤孔進(jìn)行金絲鍵合將傳感器的電學(xué)量與外部連接，鍵合環(huán)為晶圓級封裝區(qū)域。敏感結(jié)構(gòu)部分如圖２（ｃ）所示，在錨點(diǎn)兩側(cè)對稱分布著２個(gè)敏感結(jié)構(gòu)，敏感結(jié)構(gòu)通過２個(gè)連接梁剛性連接，關(guān)于錨點(diǎn)對稱分布的２個(gè)扭轉(zhuǎn)梁將２個(gè)連接梁懸置在錨點(diǎn)上，隔離槽將敏感結(jié)構(gòu)與周圍隔離，硅焊盤為金屬焊盤的載體，鍵合環(huán)與蓋板的鍵合環(huán)為玻璃漿料鍵合。底板如圖２（ｄ）所示，下電極上開設(shè)有一定數(shù)量的阻尼孔，調(diào)節(jié)傳感器的阻尼比，使傳感器獲得最優(yōu)的工作帶寬，硅導(dǎo)線將電極與硅焊盤電學(xué)連接，鍵合環(huán)與敏感結(jié)構(gòu)部分的鍵合環(huán)進(jìn)行硅硅鍵合。

2有限元仿真分析

2.1模態(tài)分析

2.1.1無阻尼模態(tài)分析

在不考慮空氣壓膜阻尼和靜電力作用時(shí)，麥克風(fēng)芯片的一階模態(tài)振型如圖３（ａ）所示，敏感結(jié)構(gòu)繞ｙ軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(tài)振型如圖３（ｂ）所示，敏感結(jié)構(gòu)繞ｚ軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(qiáng)的抗干擾能力。

2.1.2有阻尼模態(tài)分析

傳感器在實(shí)際工作中會(huì)受到空氣壓膜阻尼和靜電力的作用，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真分析時(shí)，設(shè)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?xì)鈮簽橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果如圖４所示，特征頻率的實(shí)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(fēng)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(zhǔn)確度。預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)芯片結(jié)構(gòu)可以使其具有較優(yōu)的頻率響應(yīng)特性，具有最優(yōu)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(shí)采用修正雷諾方程，電容器極板間的電勢差為２Ｖ，激勵(lì)信號的頻率為１０～５０００Ｈｚ，步長為２００Ｈｚ。

2.2.1聲波信號激勵(lì)

仿真聲波信號作為麥克風(fēng)芯片的激勵(lì)信號時(shí)，在其中一個(gè)敏感單元表面施加幅值為１Ｐａ的聲信號。麥克風(fēng)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(xué)靈敏度為３．０４ｆＦ／Ｐａ。

2.2.2振動(dòng)信號激勵(lì)

仿真振動(dòng)干擾作為麥克風(fēng)芯片的激勵(lì)信號時(shí)，在傳感器的Ｚ軸方向施加－１０ｇｎ的振動(dòng)加速度。麥克風(fēng)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(dòng)靈敏度為２．１×１０－４ｆＦ／Ｐａ。預(yù)應(yīng)力頻域仿真結(jié)果表明，麥克風(fēng)芯片的聲學(xué)靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振動(dòng)靈敏度，具備檢測聲波信號、抗振動(dòng)干擾的功能。

３工藝流程

單支點(diǎn)差分ＭＥＭＳ仿生麥克風(fēng)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(fēng)的底板，器件層的厚度為５ｍ，ＳＯＩ?Ｂ作為麥克風(fēng)的敏感結(jié)構(gòu)，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(gè)麥克風(fēng)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(shí)發(fā)生短路，如圖７（ｂ）；３）去除鍵合區(qū)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(jìn)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(jié)構(gòu)，如圖７（ｈ）；９）硅硬掩模加工金屬焊盤；１０）雙拋硅片兩面同時(shí)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(jìn)行鍵合，如圖７（ｊ）；１２）激光劃片，得到單個(gè)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(gè)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(shí)際加工時(shí)設(shè)計(jì)了雙差分結(jié)構(gòu)，下電極Ａ—１（Ｂ—１）與Ａ—２（Ｂ—２）對角設(shè)置，通過硅導(dǎo)線Ａ將下電極Ａ—１與Ａ—２互連，通過硅導(dǎo)線Ｂ將下電極Ｂ—１與Ｂ—２互連，２個(gè)敏感結(jié)構(gòu)的電勢通過下電極的硅導(dǎo)線互連，透聲孔設(shè)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(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)工藝版圖中金屬焊盤的相對位置，設(shè)計(jì)了晶圓測試探卡，對芯片的靜態(tài)電容進(jìn)行測試。測試時(shí)上電極焊盤接地，２個(gè)下電極焊盤分別接＋２Ｖ，襯底焊盤懸空。晶圓上某個(gè)芯片的測試結(jié)果及部分?jǐn)?shù)據(jù)說明如圖１０所示，２個(gè)電容的差值比初始值?。硞€(gè)數(shù)量級，說明芯片的對稱性比較好。

根據(jù)每個(gè)芯片的測試結(jié)果繪制的晶圓測試如圖１１所示，實(shí)線包圍區(qū)域（Ｂ）表示測試結(jié)果合格，虛線包圍區(qū)域（Ａ）表示測試結(jié)果不合格，白色圓形邊框表示晶圓的邊界，晶圓上Ｂ區(qū)域以外的地方?jīng)]有設(shè)置器件。經(jīng)過在顯微鏡下觀察，Ａ區(qū)域不合格是由于芯片結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致。

５結(jié)論

本文基于仿生原理提出了一種單支點(diǎn)差分結(jié)構(gòu)ＭＥＭＳ仿生麥克風(fēng)芯片，根據(jù)６ｉｎＭＥＭＳ加工平臺(tái)的工藝基礎(chǔ)，制定了麥克風(fēng)芯片的加工流程。有限元模態(tài)仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)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(jié)果表明，所設(shè)計(jì)麥克風(fēng)芯片的聲學(xué)靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振動(dòng)靈敏度，具有抗振動(dòng)干擾的功能。得益于單支點(diǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，與其他結(jié)構(gòu)的麥克風(fēng)芯片相比，性能受加工和封裝過程中應(yīng)力的影響比較小。本文已經(jīng)完成６ｉｎ晶圓的加工以及晶圓測試，下一步將進(jìn)行封裝測試等工作。

審核編輯 黃宇