CHAPTER I
Introduction
Microphones are used in a variety of everyday devices such as telephones and computers but also have many specialized applications such as studio recording and laboratory testing. Every year, more than two billion microphones are built for a range of applications. Most of these microphones convert sound into an electrical signal by utilizing capacitive transduction. Piezoelectric transduction, however, offers unique advantages over capacitive transduction such as simplicity of fabrication and linearity. These advantages have led to a further investigation of the typically cited disadvantages of piezoelectric technology such as noise floor and sensitivity. Microphones utilizing piezoelectric transduction have been designed, fabricated, and tested. This work has led to new models of piezoelectric cantilevers and more accurate methods for determining appropriate model assumptions. New, more accurate, methods of determining piezoelectric coupling coefficients have been developed. Optimization techniques which apply to a broad range of piezoelectric sensors have been identified. Piezoelectric microphone advantages and limitations will be demonstrated.
1.1 Capacitive and Piezoelectric MEMS Microphones
Microelectromechanical systems (MEMS) is a term used to describe a variety of electro-mechanical devices built by utilizing equipment and techniques originally de-
Figure 1.1: Capacitive and piezoelectric microphone noise levels as of December 2009.
veloped for integrated circuit manufacturing. These techniques, therefore, allow for mechanical devices with very small, well defined features to be built. Since the early 1980rsquo;s, researchers have been developing MEMS microphones that utilize both capacitive and piezoelectric transduction [1, 2]. Typically, MEMS piezoelectric microphones have had a much higher noise floor (gt;10times;) than capacitive microphones as seen in Figure 1.1. This large disparity between capacitive and piezoelectric performance has contributed to the adoption of capacitive transduction as the dominant technique for MEMS microphones. Today, millions of capacitive MEMS microphones are built each year.
The basic parameters of concern for any microphone, regardless of sensing technique, are input referred noise (also measured as minimum detectable signal, signalto-noise ratio, or noise floor), total harmonic distortion (THD, also measured as maximum input level or dynamic range), and bandwidth (also measured as resonant frequency). Also of interest are factors such as sensitivity, power consumption, cost, and output impedance but these will not be stressed as heavily in the following work because they are not inherent limitations of the device itself. For example, the sensitivity of any microphone can be increased (without significant change in input referred noise, bandwidth, or distortion) by adding an appropriate amplifier to an existing microphone. Likewise, the power consumption of capacitive and piezoelectric microphones is more a function of their amplifying electronics than of the specific devices. It is, however, important to evaluate the total microphone/amplifier (or preamplifier) system because the system output must be such that it can be sensed, amplified, or buffered without affecting any of the basic parameters of concern.
1.2 Noise
Noise is referred to as the inherent system fluctuations in system inputs or outputs such as voltage, current, pressure, and displacement. This is separate from interference from external signals because this interference is not an inherent limitation as it can be removed. This work will primarily be concerned with thermal noise. Thermal noise (also referred to as Johnson noise) was first documented by Johnson in 1928 [3]. Johnson noticed an electromotive force in conductors that is related to their temperature. Nyquist then explained these results as a consequence of Brownian motion [4, 5]. The theory of Nyquist was proved by Callen and Welton in 1951 [6]. Callen and Welton also gave examples of mechanical systems that exhibit noise resulting from mechanical dissipation [6]. Simply, any mechanism that converts mechanical or electrical energy to thermal energy, such as a resistor or damper, also converts thermal energy to mechanical or electrical energy. Therefore, any dissipative system at a temperature above absolute zero will have noise associated with random thermal agitation.
In a microphone/amplifier system, each significant noise source must be taken into account. To do this, the effect of each noise source can be traced through the system to the output. The noise on the output is referred to as output referred noise. The sensitivity of the device (for a microphone this is given in V/Pa) can then be used to determine the equivalent noise at the input called the input referred noise. This input referred noise is ultimately the noise of interest in any sensing system. Input referred microphone noise is typically quoted as a sound pressure level (SPL) given on an A-weighted scale (dBA). The A-weighted scale weights specific frequencies to mimic the sensitivity of human hearing. The noise level is then converted to SPL, a decibel scale referenced to 20 micro;Pa, the nominal lower limit of human hearing.
The noise floor of capacitive microphones is typically limited by noise in the microphone itself, the microphone preamplifier, or both. The dominant noise source in the microphone is thermal noise resulting from damping seen by air entering and leaving the small capacitive gap between the diaphragm and backplate [7]. The microphone preamplifier noise is determined by the circuitry and can be affected by the device capacitance, depending on the amplification scheme used [8, 9].
As a simplified example of capacitive microphone optimization, consider a MEMS
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简介
麦克风不但用于像手机和电脑等各种日常设备，而且也用于像录音室录音和实验室测试等许多专门的应用设备。每年，都会为各种应用设备制造超过20亿个麦克风。其中大多数麦克风是通过电容换能将声音信号转换为电信号。然而，压电换能提供了优于电容换能的独特优势，例如制造简单和线性度好。这些优点迫使人们进一步投入去研究改进压电技术所具备的缺点，例如本底噪声和灵敏度。利用压电换能技术的麦克风已经被设计、制造并且测试过了。本论文研究了压电悬臂梁的新模型以及更准确的方式去确定合适模型的设想。目前已经开发出了确定压电耦合系数更准确的方式，以及适用于各种压电传感器的优化技术。下面将展示压电麦克风的优点和局限性。
1.1电容式和压电式MEMS麦克风
微机电系统（MEMS）是一个专有名词，用来描述各种利用设备和最开始为集成电路制造所开发的技术而制造的机电设备。因此，这些技术可以用来制造非常小且功能性明确的机械设备。自80年代初期以来，研究人员一直在开发同时利用电容和压电转换的MEMS麦克风。具有代表性的是，MEMS压电麦克风的本底噪声比电容麦克风高得多（gt; 10倍），如图1.1所示。因此，电容性能和压电性能在本底噪声上的巨大差异促使了采用电容转换作为MEMS麦克风的主要技术。如今，每年都会制造数百万个电容式MEMS麦克风。
图1.1：截至2009年12月电容式和压电式麦克风的噪声水平
无论采用哪种传感技术，任何麦克风所涉及到的基本参数都是输入参考噪声（也可以用最小可检测信号，信噪比或本底噪声），总谐波失真（THD，也可以用最大输入电平或动态范围）和带宽（也可以用谐振频率）。同样令人感兴趣的是像灵敏度，功耗，成本和输出阻抗之类的因素，但由于它们不是设备本身所固有的限制因素，因此在后续研究中不会被过分重视。例如，通过在现有麦克风上添加适当的放大器，可以提高任何麦克风的灵敏度（而输入参考噪声，带宽或失真方面无明显变化）。同样，电容式和压电式麦克风的功耗更多地取决于其放大电子设备，而不是麦克风本身。但是，评估整个麦克风/放大器（或前置放大器）系统很重要，因为系统输出必须能够在不影响任何基本参数的情况下进行感应，放大或缓冲。
1.2噪声
噪声被定义为系统输入或输出中固有的系统波动，类似于电压，电流，压力和位移。这区别于来自外部的干扰信号，因为这种干扰不是系统固有的限制因素，而是可以消除的。本章主要与热噪声有关。约翰逊于1928年首次记录了热噪声（也称为约翰逊噪声）。约翰逊注意到导体中的电动势与其温度有关。奈奎斯特随后解释了这些是布朗运动的结果。奈奎斯特理论由卡伦和韦尔顿在1951年证明。卡伦和韦尔顿还举了一些机械系统实例，这些机械系统都由于机械耗散而引起噪声。简而言之，任何将机械能或电能转化为热能的机构，例如电阻器或阻尼器，也都能将热能转化为机械能或电能。因此任何高于绝对零度的耗散系统都会产生与随机热扰动相关的噪声。
在麦克风或放大器系统中，必须考虑每个重要的噪声源。为此，可以将每个噪声源的影响通过系统追溯到输出。输出的噪声称为输出参考噪声。然后可以使用设备的灵敏度（对于麦克风，以V / Pa给出）确定输入端的等效噪声，称为输入参考噪声。该输入参考噪声最终是任何传感系统中都关注的噪声。输入参考麦克风噪声通常引用为A加权比例（dBA）上给出的声压级（SPL）。 A加权比例对特定频率加权，以模仿人类听力的灵敏度。然后将噪声级别转换为SPL，即以20 micro;Pa（人类听力的标称下限）为基准的分贝标度。
电容式麦克风的本底噪声通常受限于麦克风本身和麦克风前置放大器。麦克风中的主要噪声源是热噪声，这是由于空气进入和离开振动膜与背板之间的小电容间隙而产生的阻尼所致。麦克风前置放大器的噪声由电路确定，并且可能受到设备电容的影响，具体取决于所使用的放大方案。
作为电容式麦克风优化的简单示例，可以考虑由膜片和背板组成的MEMS麦克风。背板上有孔，以减少空气溢出的阻力，从而减少麦克风中的噪音。如果麦克风噪声比前置放大器噪声更强，则可以增加背板中的孔数，或者可以增加背板和膜片之间的距离，这两者都会降低空气流动阻力，从而降低麦克风噪声。这两个变化还降低了麦克风的电容和灵敏度，从而增加了前置放大器的输入参考噪声。以前置放大器噪声为代价降低麦克风噪声是有益的，直到前置放大器噪声变得大于麦克风噪声为止。在两者的噪声水平相等时，麦克风的总噪声已降至最低。这种通用的麦克风优化技术可用于任何电容式麦克风，MEMS麦克风或其他麦克风。
尽管已经有团队开发出了压电MEMS麦克风，但本底噪声的基本限制因素仍不清楚。由于隔膜上压电材料的应力变化，典型的压电麦克风由多个感应电极组成。研究人员已经发现了一种事实：可以组合使用这些电极以平衡设备电容的灵敏度。当处于最佳组合时，电极的组合将保留压电设备的总输出能量，但可以调节电容以最小化麦克风上电路噪声的影响。然而，这种使噪声最小化的方法忽略了所有来自压电麦克风本身的噪声，而仅使电路噪声最小化。
压电麦克风会产生热噪声，该热噪声源于辐射阻抗和结构阻尼。Levinzon在关于压电加速度计的论文中提到，该设备还将具有由压电材料电阻抗的实部所引起的热噪声。该噪声由材料的损耗角（或耗散因数）确定，并将由设备的电容过滤掉。根据所使用的压电材料和放大方案的不同，此噪声可能是主要的噪声源并且不能忽略。本论文将介绍完整的麦克风或放大器系统噪声模型。本论文还将介绍用于降低压电设备本底噪声的优化技术。噪声模型将通过实验验证。
1.3灵敏度
麦克风灵敏度也很重要，因为该灵敏度用于将电噪声映射到输入。压电麦克风的灵敏度范围为85 micro;V / Pa至920 micro;V / Pa，典型值约为200 micro;V / Pa。麦克风灵敏度可以通过使用多种压电层压板模型来建模，这些模型是100多年前居里兄弟发现压电材料以来一直在研究开发的。压电材料是一种在应变时会发生极化（称为正压电效应），反之，在置于电场中时会发生应变（称为逆压电效应）的材料。诸如麦克风之类的传感器利用正压电效应，但并不能总是忽略由逆压电效应引起的应变。逆压电效应也可用于制造执行器或测量压电耦合系数。
电气和电子工程师协会（IEEE）发布了压电性标准。本标准列出了压电本构方程：
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sigma; = cEε minus; etE |
(1.1) |
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D = eε minus; ϵεE |
(1.2) |
其中sigma;是6times;1应力矢量，cE是在零电场下测得的6times;6刚度矩阵，ε是6times;1应变矢量，e是3times;6压电耦合系数矩阵，E是3times;1电场矢量，D是3times;1的电位移矢量，ϵε是在零应变下测得的3times;3的介电常数矩阵。公式1.1类似于胡克定律，但包括一个附加值，将机械域和电气域耦合在一起。公式1.2类似于电位移的定义，但包括一个附加值，将机械域和电气域耦合在一起。机械域和电气域之间的耦合意味着，压电材料的完整模型必须包括某种形式的公式1.1和1.2。但是，如果将压电材料用于驱动（逆压电效应），通常会忽略公式1.2。如果将压电材料用作传感器（正压电效应），则通常在公式1.1中忽略电场项，并且可以使用公式1.2和电边界条件计算电场和电位移。小型压电耦合（SPC）是这两个假设的术语。
几种合适的压电材料，例如氮化铝（AlN），氧化锌（ZnO）和锆酸钛酸铅（PZT）属于晶体的六方晶系（6毫米）。许多模型都假设压电晶体属于此类，因为这些材料是通用的，并且该假设简化了等式1.1和1.2。使用此类压电材料的麦克风的压电耦合系数矩阵形式为：
d =
以及柔度矩阵的形式：
s =
这些形式对于第二章中给出的压电本构方程中的应变电荷形式最为简便。刚度矩阵c和压电耦合矩阵e的形式分别与s和d相同，除了c66 = 1/2（c11-c12）。
使用振膜或悬臂梁最容易实现麦克风。悬臂将是工作的重点，因为它们没有残余应力，而隔膜的刚度通常由残余应力决定。残余应力难以预测和控制，并且可能导致器件性能下降。压电多层梁的大多数模型都假定平面截面保持水平（称为Euler-Bernoulli假设），而其他模型则采用Timoshenko薄壁梁理论，允许剪切和旋转惯性。本论文将着重研究利用Euler-Bernoulli假设的梁模型，因为Timoshenko薄壁梁理论的附加精度对于相关设计和测试不是必需的。
将研究小型压电耦合（SPC）的设想。有人说，只要压电耦合系数够小，就可以假设采用SPC，而另一些人则认为，对于基底厚度与压电层相似或小于压电层的结构，SPC假设可能导致重大结构误差。在以下工作中将介绍确定SPC假设有效性的标准。这项工作还将介绍带有和不带有SPC的多层压电梁的分析模型。这些模型将用于通过实验测量压电耦合系数以及器件灵敏度，以此去验证这些模型。
1.4线性度
麦克风/放大器系统的线性度可能受到麦克风，放大器或两者的限制。由于电容和间隙尺寸之间存在非线性关系，因此电容设备本身就是非线性的。随着膜片挠度的增加，变形会增加，因此可以通过增加膜片刚度来降低特定SPL处的THD。通过这种方式，可以以降低噪声和灵敏度为代价来改善麦克风的失真和带宽。随着这种电子设备的应用，电容非线性将限制达到低谐波失真的SPL。这种平衡可以通过比较两个电容式麦克风来观察到，其中一个用于低噪声，另一个用于高动态范围。低噪声麦克风的振膜面积为2.8times;10-7m2，本底噪声为37 dBA，在100 dB SPL时的THD为1％。该A加权本底噪声相当于13 micro;Pa /。高动态范围麦克风的振膜面积为1.7times;10-7 m2，共振频率为178 kHz，在1 kHz时的输入参考噪声约为2.2 mPa /，并且线性工作高达164 dB SPL。第一个麦克风的输入参考噪声比第二个麦克风低大约45 dB，但是第二个的SPL比第一个高大约64 dB。
在存在小电场的情况下，压电换能可以被假定为线性，但随着电场变大，压电换能变为非线性。 PZT的非线性主要归因于其铁电磁滞现象。同时也研究了非铁电压电材料（如ZnO和AlN）的非线性，尚未找到经过实验验证的压电AlN或ZnO的非线性模型。当前进行的实验表明，AlN在超过1times;106V / m的电场中仍保持线性。该结构还可以提供传感器非线性的来源。悬臂梁非线性的主要来源是曲率和位移之间的关系。在大挠度下，光束曲率不能近似为位移的二阶导数，因此挠度是施加压力的非线性函数。尽管当挠度较大时挠度与施加的压力并不线性相关，但是层应力和输出的电压仍然是施加声压的线性函数。膜片非线性的主要来源是由于中性轴的拉伸，并确实也导致了压电层的非线性应力。
1.5压电材料
压电材料的选择会对器件性能产生重大影响。不同的压电材料表现出截然不同的质量，使用最好的材料来用于特定应用极为重要。用于MEMS器件的最常见的压电材料是ZnO，PZT和AlN。
ZnO和AlN非常相似，因为它们都是双六边形极性晶体（6毫米）并且都是非铁电性的。 AlN具有与硅半导体技术兼容的优势，而ZnO不具备兼容性， AlN的电阻率也比ZnO高。由于难以沉积高电阻率的ZnO，因此在10 kHz以下工作的传感器和执行器通常需要绝缘层（通常为SiO2）以减少电荷泄漏。尽管AlN具有这些优点，但由于ZnO膜的可用性更好，对ZnO的真空条件要求较低，以及AlN膜中残留应力的影响，使得ZnO更为普遍地使用。而在过去的几年中，AlN沉积变得越来越普遍，并且残余应力已经显示出可控性。
通常AlN和ZnO两者都是溅射沉积，因此，AlN和ZnO薄膜几乎总是多晶材料。压电耦合系数由所有晶体的平均效应产生。这些材料必须以对齐晶体的方式沉积，否则它们将表现出较低的压电性能。 X射线衍射通常用于测量这些材料的取向度。对于AlN薄膜，通常认为半峰宽（FWHM）低于2°的X射线衍射摇摆曲线取向度良好。 PZT与ZnO和AlN的区别在于它是一种铁电材料。这意味着，与AlN和ZnO不同，PZT的极轴可以在沉积后重新取向。 PZT最初被设计的目的是具有高压电耦合系数，而为改善其他性能所做的尝试却相对较少。表1.1列出了本研究中ZnO，PZT和AlN的一些相关特性，以供比较。
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ZnO |
PZT |
AlN |
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d31 (C/N) |
minus;5.74 times; 10minus;12 <!--剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236708]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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