Characterisation of MEMS microphones for body noise

Abstract

Diese Diplomarbeit untersucht den Einfluss von Vibrationen und anderen mechanischen Effekten auf MEMS Mikrofone. Empfindlichkeit für Vibrationen resultiert in einem zusätzlichen Rauschpegel.<br />MEMS-Technologie verspricht neue Möglichkeiten um dieses Rauschen zu unterdrücken. Eine intrinsische Methode ist die Resonanzfrequenz von Membran und Gegenelektrode aneinander anzupassen.<br />Ein Messprinzip für die Vibrationsempfindlichkeit wird entwickelt und mittels konzentrierter Elemente Modell wird das Verhalten des Mikrophons simuliert. Die Messung ergibt eine Vibrationsempfindlichkeit von 48.2 dBSPL/ms-2 bei 1 kHz, die Simulation sagt 42.5 dBSPL/ms-2 voraus. Die Resonanzfrequenzen von Membran und Gegenelektrode werden mittels elektrischer und optischer Methoden bestimmt und der Einfluss von Luft und elektrischen Feld untersucht. Für die Membran ergibt sich ein Wert von rund 50 kHz und für die Gegenelektrode von rund 200 kHz. Als wichtiger Einfluss wird die elektrische Spannung zwischen den Elektroden gefunden, welcher die wirksame Federkonstante reduziert.<br />Im Simulationsmodell zeigt sich, dass der Strahlungswiderstand die Effektivität der Empfindlichkeitunterdrückung durch Frequenzanpassung limitiert. Für eine Anpassung der Frequenzen mit einer Genauigkeit von mindestens 10% ergibt die Simulation eine Empfindlichkeitsunterdrückung von 20 dB von 20 Hz bis 20 kHz. Die Änderung der Resonanzfrequenz der Gegenelektrode erfolgt mittels Federstrukturen. Die Resonanzfrequenz der gefedert aufgehängte Gegenelektrode kann derart an die Membran angepasst werden.<br />Diese Arbeit zeigt das MEMS-Mikrophonen für Vibrationen empfindlich sind. Die Simulation des Konzepts der Frequenzanpassung verspricht eine deutliche Reduktion welche noch am realen Mikrofon gezeigt werden muss.<br />

This diploma thesis investigates the sensitivity of MEMS2 microphones for vibrations. This undesired sensitivity is a performance limiting factor of microphones which reduces the minimal observable sound pressure in the presence of vibrations. MEMS technology allows new concepts of its suppression. An intrinsic way is to match the resonance frequency of membrane and backplate.<br />A measurement principle of body noise is developed and a lumped element model of the microphone is used to simulate its behaviour. The measurement results in a total body noise sensitivity of 48.2 dBSPL/ms-2 for 1 kHz. The simulation predicts 42.5 dBSPL/ms-2 for 1 kHz. The resonance frequencies of membrane and back plate are measured by electrical and optical set-ups and the influence of air and the electrical field is studied. The resonance frequency of the membrane is about 50 kHz and the backplate's about 200 kHz. As a major influence the bias voltage is found resulting in the so called spring softening.<br />The model is used to investigate the concept of frequency matching and shows that for the perfect frequency match the limiting factor of body noise is the radiation resistance. For a resonance frequency fit within 10% the simulation shows a minimum body noise suppression of 20 dB from 20 Hz to 20 kHz. The change of the backplate's resonance frequency is done by changing its compliance via springs in the backplate layer. By spring-suspension the resonance frequencies can be matched.<br />This work shows that body noise is present in MEMS microphones. The simulation of the frequency matching results in a major body noise suppression which has to be proofed in the real application.<br />