高灵敏的晶圆尺度无转移石墨烯MEMS冷凝器麦克风
Roberto Pezone1, Sebastian Anzinger2, Gabriele Baglioni3
1Laboratory of Electronic Components, Technology and Materials (ECTM), Department of Microelectronics, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands.
Microsystems & nanoengineering
|February 22, 2024
概括
这项研究引入了晶圆尺度集成石墨烯MEMS麦克风,实现了比传统设备更高的灵敏度和更小的尺寸. 这些进步克服了当前麦克风技术的局限性,以提高性能.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 电气工程 电气工程
- 声学 声学 在声学上
背景情况:
- 基于微电机系统 (MEMS) 的麦克风由于物理,设计和材料限制而面临性能限制.
- 石墨烯作为麦克风隔膜材料具有前景,但它对更小,更敏感和可扩展的芯片上MEMS麦克风的全部潜力仍未被探索.
- 之前使用石墨烯聚合物异构结构的尝试由于增加质量和刚性而损害了性能.
研究的目的:
- 为了展示使用多层石墨烯的第一个晶圆尺度集成的MEMS冷凝器麦克风.
- 为了研究在没有转移步骤或聚合物层的MEMS麦克风中石墨烯隔膜的性能.
- 为了研究背板集成对基于石墨烯的MEMS麦克风容量读出功能的效果.
主要方法:
- 晶圆尺度集成的MEMS冷凝器麦克风的制造,采用7nm多层石墨烯隔膜 (2R = 220-320μm),悬挂在5μm残余间隙的背板上.
- 使用了MEMS兼容的晶圆尺度技术,避免了转移步骤和聚合物层.
- 描述了用于电气集成的设备设计,并研究了背板引入电容读出功能的影响.
主要成果:
- 实现了较高的机械合规性 (C_m = 0.081-1.07 μmPa−1) 比膜高10-100倍.
- 引进电压范围在2 - 9.5V之间.
- 显示估计的灵敏度 (S1) 为 24.3-321 mV Pa-1 在 1.5 V 偏差下,比最先进的麦克风高出 1.9-25.5 倍,面积大约小 9 倍.
结论:
- 成功展示了使用多层石墨烯的晶圆尺度集成的MEMS冷凝器麦克风.
- 与现有技术相比,开发的石墨烯麦克风可以显著提高灵敏度和减少面积.
- 这项工作为下一代高性能紧型声学传感器铺平了道路.
