Silicon Subminiature Microphones for Airborne Sound

Silicon is increasingly used as a base material for the fabrication of sensors. It is suitable for the construc-tion of microphones with different operational princeples since it allows the manufacture of thin membranes, structured back electrode areas, piezoelectric layers and, recently, mechanically controlled field effect transistors. Three different silicon microphone types are presented with the dimensions ranging from 1 … 2 mm. First a capacitive microphone was realized, designed as a two-chip-version. For a one-chip device the piezoelectric principle was used, where the piezoelectric layer was made out of aluminium nitride. The latest development is the completion of a microphone, which works with a “suspended gate” field effect transistor. The transducer fabrication processes in silicon technology as well as the measured results are described. In addition, the transducer-specific characteristics in relation to frequency response and sensitivity are presented.

Zusammenfassung

Silizium wird in zunehmendem Maß als Grundmaterial für die Herstellung von Sensoren benutzt. Es eignet sich für den Bau von Mikrophonen verschiedenen Wirkungsprinzips, da es die Herstellung von dünnen Membranen, strukturierten Riickelektroden, piezoelektrischen Schichten und neuerdings auch von mechanisch gesteuerten Feldeffekttransistoren erlaubt. Es werden drei verschiedene Silizium-Mikrophontypen mit Abmessungen im Bereich von 1 – 2 mm vorgestellt. Zuerst wurde ein kapazitives Mikrophon in einer Zweichip-Version reali-siert. Für eine Einchip-Anordnung wurde das piezoelek-trische Prinzip benutzt, wobei die piezoelektrische Schicht aus Aluminiumnitrid hergestellt wurde. Die letzte Entwicklung betrifft ein Mikrophon, welches mit einem “suspended gate”-Feldeffekttransistor arbeitet. Es werden sowohl die Herstellungsprozesse des Wandlers in Siliziumtechnologie als auch Meßergebnisse beschrieben. Des weiteren werden die Eigenschaften der Wandler hinsichtlich der Frequenzübertragung und der Empfindlichkeit vorgestellt.

Sommaire

Le silicium s'emploie de plus en plus comme matériau de base pour fabriquer des capteurs. II convient notamment à la réalisation de microphones de divers types puisqu'il permet à la fois de faire des membranes minces, des électrodes à plages dorsales structurées, des couches piézoélectriques et même, tout récemment, des transistors à effet de champ avec commande mécanique.

On présente ici trois types différents de microphones au silicium, tous les trois à des dimensions comprises entre 1 et 2 mm. D'abord on avait réalisé un microphone capacitif, dans une version à deux chips. Puis on a utilisé le principe de la piézoélectricité pour un microphone à un chip, avec une couche piézoélectrique en nitrure d'aluminium. Enfin, on vient de fabriquer un microphone fonctionnant selon le principe du transistor à effet de champ, avec une “porte suspendue”. On décrit les precédés de fabrication des transducteurs, notamment en ce qui concerne la technologie du silicium. Puis on présente les résultats expérimentaux obtenus, ainsi que les caractéristiques spécifiques de chaque type de microphone concernant sa sensibilité et sa réponse en fréquence.