摘 要

压电式MEMS麦克风工作原理是利用压电效应将声波引起的器件形变以电信号输出。在很多方面表现出的性能都要优于其他形式麦克风，如体积小、性能稳定、信噪比高、灵敏度好和响应速度快等，智能穿戴设备和智能手机已广泛采用。

本文针对压电式MEMS麦克风开展了详细研究，主要内容如下：

（1）介绍了压电式MEMS麦克风所涉及到的理论知识，重点是压电效应、声场传播理论和结构力学，并通过上述理论分析推导压电式MEMS麦克风的工作原理，得出其开路电压表达式；

（2）基于压电式MEMS麦克风的工作原理，利用有限元分析软件COMSOL进行建模、仿真分析压电式麦克风的性能指标；

（3）通过分析悬臂数目、整体尺寸、质量块尺寸、压电材料和压电层面积对于压电式MEMS麦克风性能的影响，从而得出优化后的模型；

（4）比较分析MEMS三种加工技术，绘制本文所设计模型的工艺流程图，并利用L-Edit软件绘制装置版图。

通过模型设计和仿真结果分析，本文将最终得到一个较为满意的模型，并以此模型绘制工艺生产流程。

关键词：压电式MEMS麦克风；微机电系统（MEMS）；压电效应；有限元分析；MEMS加工工艺

Abstract

The principle of piezoelectric MEMS microphone is to use the piezoelectric effect to deform the device caused by sound wave and output the electrical signal. Its performance is better than other forms of microphones, such as small size, stable performance, high signal-to-noise ratio, good sensitivity and fast response speed, etc. Smart wearable devices and smart phones have been widely adopted.

In this paper, the piezoelectric MEMS microphone is studied in detail. The main contents are as follows:

(1) This paper introduces the theoretical knowledge involved in piezoelectric MEMS microphone, such as piezoelectric effect, sound field propagation theory and structural mechanics. And I will deduce the working principle of piezoelectric MEMS microphone through the above theoretical analysis, and obtain its open-circuit voltage expression;

(2) Based on the working principle of piezoelectric MEMS microphone, this paper will use the finite element analysis software COMSOL to model and simulation to analyze the performance indexes of piezoelectric MEMS microphone;

(3) This paper will obtain the optimized model by analyzing the influences of cantilever number, overall size, mass block size, piezoelectric material and piezoelectric layer area on the performance of piezoelectric MEMS microphone;

(4) Compared and analyzed three MEMS processing technologies, drew the process flow chart of the model designed in this paper, and used L-Edit software to draw the layout of the device.

Through the model design and simulation results analysis, this paper will finally get a more satisfactory model, and draw the process flow based on the model.

Key Words：Piezoelectric MEMS microphone；MEMS; Piezoelectric effect; Finite element analysis; MEMS processing technology.

目录

第1章 绪论1

1.1研究背景及意义1

1.1.1研究背景1

1.1.2 研究意义3

1.2 MEMS麦克风的发展历程及现状4

1.3研究内容6

第2章 压电式MEMS麦克风相关理论7

2.1 压电基础理论7

2.1.1压电效应7

2.1.2压电材料8

2.2 声学基础理论11

2.2.1基本概念11

2.2.2声学换能器的原理12

2.3 本章小结14

第3章 压电式MEMS麦克风的设计15

3.1 压电式MEMS麦克风的静态分析15

3.2 建模流程18

3.3 模型优化22

3.4 优化与分析24

3.4.1研究悬臂数对压电式MEMS麦克风性能的影响 24

3.4.2研究整体直径尺寸对压电式MEMS麦克风性能的影响 25

3.4.3研究质量块对压电式MEMS麦克风性能的影响 27

3.4.4研究压电材料对压电式MEMS麦克风性能的影响 29

3.4.5研究AlN层面积对压电式MEMS麦克风性能的影响 31

3.5 优化后的模型与结果分析33

3.6 本章小结36

第4章 工艺流程图与版图绘制37

4.1 工艺流程图37

4.1.1 MEMS和微系统制造技术 37

4.1.2绘制工艺流程图 38

4.2 L-Edit绘制版图40

4.2.1 掩模版布局信息 40

4.2.2 装置版图 41

4.3 本章小结42

第5章 总结与展望43

5.1 总结43

5.2 展望43

参考文献44

致谢46

第1章 绪论

压电式MEMS麦克风不同于其他麦克风的工作原理，它的转换原理是利用压电效应将声波引起的器件形变以电信号的形式输出。在我们的日常生活中随处可见各式各样的麦克风，比如日常唱歌时使用的动圈式麦克风、智能手机里的硅微麦克风等。随着移动通讯设备和智能穿戴设备的不断发展，麦克风也在不断更新迭代，未来对于性能稳定、表现优异的麦克风肯定会有非常大的需求量。

本章是绪论章，主要分为三个部分。第一个部分阐述了本论文的背景和意义，涉及到关于麦克风的相关知识以及对压电式MEMS麦克风研究的意义；第二个部分是微机电（MEMS）麦克风的发展历程和研究现状，通过查阅文献对MEMS麦克风的发展现状进行了大致介绍；最后说明了论文的研究内容。

1.1研究背景和研究意义