基于硅MEMS技术的麦克风简化音频设计

文章摘要： 另一项挑战是ECM不仅能够检测声音信号，还能检测出机械振动，并最终把振动转换为低频声音信号。当ECM被置于振动环境时，比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上，音频系统的主要噪声源将是振动。减少麦克风处振动的唯一方法是，在把麦克风安装在电路板上时，采用额外的机械隔离材料。 此外，不论是制作ECM振膜和背板的材料，还是ECM的永久振膜充电，在表面安装必需的高温下，性能都会显著下降。因此，在麦克风和电路板之间必须使用某种形式的电子互连(插座或弹性压缩式连接器)，从而使本已很大的元件总体高度更大(与目前许多便携式电子设备的纤薄外形相比)。最后，因为ECM不能进行表面安装，而需

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      另一项挑战是ECM不仅能够检测声音信号，还能检测出机械振动，并最终把振动转换为低频声音信号。当ECM被置于振动环境时，比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上，音频系统的主要噪声源将是振动。减少麦克风处振动的唯一方法是，在把麦克风安装在电路板上时，采用额外的机械隔离材料。

      此外，不论是制作ECM振膜和背板的材料，还是ECM的永久振膜充电，在表面安装必需的高温下，性能都会显著下降。因此，在麦克风和电路板之间必须使用某种形式的电子互连(插座或弹性压缩式连接器)，从而使本已很大的元件总体高度更大(与目前许多便携式电子设备的纤薄外形相比)。最后，因为ECM不能进行表面安装，而需手工组装，故与能够采用自动分捡(pick and place)组装工艺，能被焊接到电路板上的元件相比，它的组装成本更高，可靠性更低。

      Akustica公司正在利用称为CMOS MEMS的最新型MEMS技术开发新一代的单芯片硅晶麦克风。不同于其它硅晶麦克风需要至少两块硅芯片，一块用作硅晶麦克风换能器单元，另一块用作集成电路(IC), CMOS MEMS麦克风是单块式集成电路，其中MEMS换能器单元由标准CMOS晶圆中的金属介电质结构形成。由于CMOS MEMS麦克风是采用业界标准CMOS工艺和目前用来制造集成电路的设备制作的，故该器件可以在全球任何一家CMOS晶圆厂生产。CMOS MEMS器件的制造已在九家不同的晶圆厂，经从0.6微米三层金属工艺到0.18微米铜互连工艺的11种不同CMOS技术得到验证。结果证明这项技术具有半导体制造的高良率和可重复性，能够以极高批量大规模生产。

      在CMOS MEMS平台上开发的单块集成电路硅晶麦克风解决方案使消费电子设备设计人员和制造商得以避免众多ECM相关问题。图3是一个单芯片硅晶麦克风的俯视图和横截面图。这一单块芯片由MEM换能器(transducer)和阻抗匹配线路组成，它也是一个带有可移动振膜和刚性背板的电容性传感器。

图3: CMOS MEMS 麦克风芯片的俯视图(a)和横截面图(b)。

      图4所示为一个采用了CMOS MEMS模拟麦克风的典型音频系统。鉴于CMOS MEMS麦克风更类似于模拟IC而非ECM，它也采用类似于IC的供电分式，直接连接到电源。电源输入和系统其余部分之间的片上隔离为元件增加了PSR，使CMOS MEMS麦克风本质上比ECM具有更强的抗电源噪声能力，并不再需要额外的滤波线路来保持电源线的“干净”。

图4: 采用CMOS MEMS麦克风的典型音频系统示意图。

        当在微米级的声学结构内制作电子线路时，线迹长度很短，能够提高减少击穿噪声的能力。 不同于ECM中的FET，在CMOS MEMS麦克风中，由于是片上放大级，隔膜和前置放大器的间距极短，输入输出隔离更好。因为有电源和输出信号隔离更好，加上隔膜到前置放大器的距离更短，几乎没有可能会把电磁场耦合到麦克风里。

       CMOS MEMS麦克风还解决了使用ECM所遇到的许多机械设计和制造方面的挑战。首先，CMOS MEMS麦克风单块集成电路的特性使其占位面积和高度比传统ECM尺寸的一半还要小。其次，CMOS MEMS麦克风振膜的尺寸和质量都很小，较之直径4-6mm的ECM振膜，其直径小于0.5mm，提高了抗振动性。第三，由于CMOS MEMS麦克风是采用标准CMOS材料和工艺制作的，它们本质上就能够耐受表面安装时所需的高温环境。无需机械互连又使这种麦克风系统的总体高度显著降低。最后， CMOS硅晶麦克风具有表面安装和分捡兼容性，不再需要进行手工组装，故而降低了成本，并提高了可靠性、生产能力和良率。

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