光学干涉式MEMS麦克风关键技术研究

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麦克风是一种可收集自然界声音信号的声传感器件,在军事、航空航天、医疗、消费电子、汽车电子等领域都有重要的应用价值,因此对麦克风展开研究具有重要意义。在消费电子领域传统电容式MEMS麦克风是当前应用最广泛的技术,然而由于其自身设计冲突不能同时满足较高的灵敏度、信噪比或是更大的工作带宽。光学干涉式麦克风为这一目的提供了可能性,其中,基于Fabry-Perot干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪、Sagnac干涉仪和Fizeau干涉仪的麦克风研究成果已经被发表且已经实现高灵敏度和高信噪比。然而大部分光学干涉式麦克风的研究都是被设计为光纤传感器的形式,具有制作困难、重复性差、成本较高等缺点。MEMS技术具有高可靠性、低制造成本、可大规模生产等优势,所以基于MEMS的光学干涉式麦克风是一种理想的设计方式,然而目前这方面的研究较少。因此,本文提出了一种基于光学干涉原理的MEMS麦克风设计形式,并对其开展了系统性研究工作,主要内容如下:首先,论文对基于不同结构的声学传感技术进行分析和研究,明确了光学干涉的MEMS麦克风的结构优势。对MEMS技术的发展、工艺和应用进行介绍,为MEMS技术应用到麦克风的制作中提供了前期理论支撑。其次对传感器结构进行了设计,确定了背板包括微型光栅的双层结构,并对其进行前期仿真,确定其尺寸参数,对谐振模态进行有限元仿真,保证在需要的带宽内可正常工作。并且对麦克风器件的制作工艺进行了深入的研究分析,详细介绍了制作该器件的整体工艺流程,对部分工艺步骤加以优化改进,使传感器在加工制作过程中具有更好的一致性和可靠性。最后对光学干涉式MEMS麦克风效应进行验证,搭建了传感器测试系统。研究了传感器时域响应特性、线性响应特性、频域响应特性、信噪比、一致性等重要参数。且对未来该传感器的改进方向进行了思考。由于工艺条件限制,并且结构设计仍有进一步改进空间,器件设计仍需优化以进一步完善性能。但本工作为光学麦克风的研究提供了新的思路,为该设计以后的发展奠定了基础。
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