Design d’un microphone MEMS basé sur une nouvelle architecture

Design of a MEMS microphone based on a new device architecture

• Auteur / Autrice : Samer Dagher
• Direction : Stéphane Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 27/10/2020
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Microphones

Mots clés libres

Microphone

MEMS

Capacitif

Vide

Microphone

MEMS

Capacitive

Vacuum

Résumé

Durant les dernières années, les microphones MEMS (microsystèmes électromécaniques) sont devenus des composants essentiels dans un large éventail d’appareils électroniques grand public. La demande de microphones haute performance a été propulsée d’une part par la nécessité d’améliorer des champs d’applications existants, comme la prise de voix pour les appels téléphoniques, et d’autre part par le développement de nouvelles applications, comme l’adoption massive des systèmes de reconnaissance vocale. Cette demande constante de meilleurs performances a poussé l’optimisation de la technologie actuelle à ses limites, vu que la majorité des microphones MEMS du commerce est basée sur des variantes de design d’un simple condensateur : une membrane déformable, face à une contre-électrode trouée et fixe, et posée sur une cavité maintenue à pression atmosphérique communément appelée Back Volume (BV). Dans ce design, la transduction capacitive est effectuée à pression ambiante, ce qui inévitablement mène à des amortissements de compression et à une résistance acoustique à cause de la présence de la contre-électrode. Ces pertes visqueuses deviennent les sources prépondérantes de bruit, limitant le rapport signal sur bruit (SNR) du microphone. Représentatif du niveau de performance global, le SNR des microphones basés sur ce design ne peut alors être amélioré qu’au prix d’une plus grande taille de puce et de BV. Bien que d’autres changements et améliorations de design aient été proposés, les efforts pour améliorer le SNR sans augmenter la taille du composant n’ont pas abouti. Les designs basés sur la transduction piézoélectrique semblent prometteurs comme alternatifs, puisqu’ils ne requièrent pas de contre-électrode. Cependant, l’amélioration de leur performance se trouve limitée par les pertes intrinsèques des matériaux piézoélectriques actuellement disponibles. Pour réduire les pertes visqueuses et améliorer le niveau de performances des microphones MEMS capacitifs, le présent travail de recherche propose une nouvelle approche qui consiste à séparer la contre-électrode de la membrane et à effectuer la transduction dans le vide. Avec ce nouveau design, le capteur est divisé en deux parties : un piston rigide qui récolte la pression acoustique dans l’air, connecté mécaniquement à un transducteur capacitif encapsulé dans une cavité sous vide. Cette séparation mène à une réduction drastique des sources de bruits acoustiques tout en permettant une grande densité capacitive, ce qui améliore nettement le SNR du microphone sans nécessairement augmenter sa taille. La connexion mécanique entre les éléments est assurée par une charnière innovante, capable de transférer un déplacement mécanique entre deux atmosphères distinctes. Dans cette étude, la charnière mécanique est d’abord dimensionnée pour qu’elle soit suffisamment robuste pour soutenir les effets de la pression atmosphérique et de potentiels pics de pression, tout en restant suffisamment flexible afin de transférer le mouvement mécanique. Un modèle analytique du microphone est ensuite développé, détaillant son fonctionnement théorique, et les niveaux de performances atteignables et les limitations en termes de taille sont discutés. Les designs des microphones finaux sont basés sur le cadre théorique du modèle analytique tout en prenant en compte les dimensions critiques déterminées par le processus de fabrication à deux wafers. La fabrication de ces microphones a été réalisée avec succès, et les problèmes rencontrés ont été analysés et corrigés. De plus, les premiers résultats expérimentaux sur wafer prouvent la viabilité de ce nouveau concept. Le transfert du mouvement du piston dans l’air au transducteur encapsulé a été démontré, et la réponse acoustique des microphones a été mesurée avec succès avec une sensibilité qui atteint 6±0.5fF/Pa. Avec cette première preuve de concept, ce nouveau design ouvre la voie aux microphones MEMS à ultra-haute performance.

In recent years, MEMS (micro-electromechanical system) microphones have become a key component in a wide range of consumer electronic devices. The need to improve upon existing applications, such as voice pickup for phone calls, as well as the development of new ones, like the widespread use of speech recognition systems, have propelled the ever increasing demand for higher performance microphones. This has driven the optimization of the current technology to its limits, as the large majority of commercial MEMS microphones are based on variations of a simple condenser design: a deformable membrane, facing a perforated and fixed counter-electrode (backplate), and sitting on top of a cavity maintained at atmospheric pressure, commonly referred to as Back Volume (BV). In this design, the capacitive transduction is performed in air, leading to unavoidable squeeze-film damping and acoustical resistance due to the presence of the backplate, which become the dominant noise sources in the device. Limited by these noise sources, the signal-to-noise ratio (SNR), representative of the overall performance of the microphone, can only be improved at the cost of a larger chip and BV size. Although several other design changes and improvements have been proposed, they have had little to no success in increasing the SNR without increasing the size of the device. Alternatively, designs based on piezoelectric transduction seem to promise a higher performance as they do not incorporate a backplate. However, their performance is found to be limited by the intrinsic losses of currently available piezoelectric materials. This present work proposes a new approach for reducing the viscous damping losses, and improving the performance of capacitive MEMS microphones, by separating the backplate from the membrane and performing the transduction in vacuum. In this new design, the device is separated into two parts: a rigid piston that harvests the acoustic sound pressure in air, mechanically connected to a capacitive transducer encapsulated in a vacuum cavity. This separation drastically reduces the acoustic noise sources in the device and allows a high capacitive density, which significantly improves the SNR of the microphone without necessarily increasing its size. The connection between both elements is ensured by an innovative mechanical hinge, capable of transferring a mechanical motion between two separate atmospheres. In this study, the mechanical hinge is first designed to be robust enough to withstand the effects of atmospheric pressure and possible high pressure overshoots, while remaining flexible enough to transfer the mechanical motion. An analytical model of the microphone is then developed, detailing the theory of operation of the device, and the achievable performance levels and size limitations are discussed. The final devices are designed based on the theoretical framework of the analytical model, taking into account the critical dimensions set by the two-wafer fabrication process. These devices have been successfully fabricated, and the encountered fabrication problems have been analyzed and corrected. Furthermore, the first wafer-level experimental results prove the viability of this new device concept. The transfer of the force from the piston in air to the encapsulated transducer was proven, and the acoustic response of the devices was successfully measured with a sensitivity reaching 6±0.5fF/Pa. With this first proof of concept, this new design paves the way for ultra-high performance MEMS microphones.