[发明专利]一种硅微电容麦克风的优化方法

说明书

技术领域

本发明设计涉及微机电系统、有限元仿真、电路模拟以及最速下降仿真等技术领域，它将优化算法和器件仿真相结合，属于电力电子、优化算法和计算机模拟仿真技术综合交叉的技术。

背景技术

微系统(Micro Electro Mechanical System，简称MEMS)技术是一个新出现的研究领域和工业，它是一个包含多个学科的前端科研领域，主要有化学、光学、生物学、物理学、控制工程和力学等多个学科。典型微系统尺寸一般在几微米到几毫米之间，其中包括传感器、执行器、电路模块和微机械结构等部分，可以实现测量、能量转换、信息处理和执行等功能。

MEMS麦克风作为微系统领域的一个重要分支，也是当前研究的一个热点。MEMS麦克风是指基于MEMS技术制造的麦克风，在一个硅微晶片上利用MEMS加工工艺制作的微型麦克风，因此也可称为硅微麦克风。不同于传统麦克风，MEMS麦克风具有尺寸小、质量轻、安装简单、易形成阵列、成本低、可批量制造等特点。MEMS麦克风具有非常广泛的应用领域，例如在消费电子领域中，人们日常使用的手机、mp4、笔记本电脑等内置麦克风，在汽车行业中的免提电话，在医学领域中的助听器等等都是基于MEMS技术制造的麦克风。随着MEMS加工工艺的不断发展，MEMS麦克风的灵敏度和性能稳定性不断提高，它的应用领域也在不断扩张，正在逐步取代传统麦克风的地位。在未来的一段时间内，MEMS麦克风将会完全替代传统的麦克风。因此对MEMS麦克风的研究具有极大的意义。

硅微麦克风根据敏感原理的不同，可以分为四类：压阻式、压电式、电容式和光纤式。压阻式麦克风加工步骤简单，成本较低，便于批量生产。然而相较于其他传感器，它的灵敏度偏低，一般压阻式麦克风的灵敏度只有约25μV/Pa。增加振膜面积是一种提升这种麦克风灵敏度的有效措施，但这也导致振膜容易破裂，影响麦克风的稳定性。压电式麦克风和压阻式麦克风类似，它的灵敏度相对于压阻式麦克风要高，一般在50-250μV/Pa。但是该麦克风容易受到温度、空气湿度等外界坏境的影响，稳定性较差。光纤式麦克风是目前来说相对较新的研究，它具有较高的灵敏度，主要应用于其他麦克风无法工作的环境中，如受到电磁干扰的环境或者需要防止被窃听的场合等。然而由于它造价太高，测量手段与装置复杂，在工业过程中没有得到广泛的应用。

电容式麦克风是目前MEMS麦克风市场的主流，它在频率响应的平坦度和灵敏度等基本性能以及性能的稳定性方面具有明显的优势。近年来，多种多样的MEMS麦克风结构被设计出来，有双晶片式、单晶片式和振膜带孔式，这些麦克风都有它们各自的特点。振膜带孔式麦克风相对于其他类型，具有较好的稳定性，简单的加工工艺，低廉的加工成本，易于封装等优点。可以作为本发明的优化对象。大多数文献中往往只有单一结构的设计，即设计出一种结构尺寸之后，仿真测试它的性能，并未对该结构进行优化。有文献也有对麦克风结构的优化，然而它们往往采用一种试凑的方法，即先改变麦克风的一个结构参数，例如振膜的面积，然后观察它灵敏度曲线的变化情况，接着改变另外一个参数，例如空气间隙，继续观察它的变化。通过不断的测试，总结麦克风参数对性能影响的一些规律。按照自己期望的性能继续改变参数，最终得出一组使得性能满足设定目标的尺寸结构。这种方法过程复杂、效率较低，往往需要一定的实践经验才能较快的得到期望的结构参数，而且得到的结构参数不一定是最优的一组参数。并没有一种较好的算法来对麦克风结构进行优化。大大延长了麦克风的开发周期。

发明内容

为了克服现有的麦克风的灵敏度较低、开发周期较长的不足，本发明对硅微电容麦克风结构进行优化，采用最速下降仿真，不但可以使麦克风在满足工作频率的条件下具有较高的灵敏度，还可大量减少麦克风开发的时间。

本发明所述的拟最速下降仿真，包括如下步骤：

一种硅微电容麦克风的优化方法，所述优化方法包括以下步骤：

1)、根据优化目标，构建目标函数其中，W₁和W₂为权系数，W₁为负值，W₂为正值，S(r,b)为灵敏度，灵敏度是关于圆形振膜半径r和声学孔距离b的函数，k(f,r,b)为频率响应曲线在频率f处的斜率，麦克风的频率响应曲线也是关于圆形振膜半径r和声学孔距离b的函数；而表示20Hz-20kHz之间对麦克风灵敏度曲线斜率的绝对值进行积分后的值；