硅麦克风器件设计综述

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1、硅麦克风器件设计综述一、硅麦克风概述麦克风学名为传声器，能够将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称 话筒，麦克风，微音器。硅微型麦克风，通过利用集成电路技术将微型机械系统与电子组件集成于硅 晶面板的表面。在消费性应用市场方面，未来将朝个人可携式的产品发展，通讯 应用市场则以RF MEMS、MEMS麦克风为主。未来低成本、高性能的MEMS麦克风 取代ECM麦克风将成为趋势，其中MEMS麦克风于手机上将率先广泛使用。硅麦克风是一种低成本、高性能以取代传统 ECM 麦克风的新技术。和传统 麦克风需要客户在应用中离线、手动装配不一样的是硅麦克风是封装在卷带中的 因此可以利用传统的表面贴片设备完成自

2、动装配。由于采用硅材料制作，这种具 有革新意义的麦克风汲取了半导体工艺技术的种种优点。这样生产出来的麦克风 集生产高度重复性、优异的声音性能和将来灵活的扩展性能于一身。二、硅麦克风工作原理传统麦克风是根据声波产生的空气流动对薄片的冲击，使其产生形变，从而 改变电容，是输出电信号改变，从而反映出入口处的声波的频率和幅度的变化。硅麦克风的组成一般是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路、声腔、RF 抗干扰电路这几个部分组成的。MEMS微电容极头包括接受声音的硅振膜和硅背 极，硅振膜可以直接接收到音频信号，经过MEMS微电容传感器传输给微集成电 路，微集成电路把高阻的音频电信号转换并放大成低阻的电信

3、号，同时经RF抗 噪电路滤波，输出与前置电路匹配的电信号，就完成了声电转换。通过对电信号 的读取，从而实现对声音的识别。硅麦克风内含两个芯片MEMS芯片和专用集成电路(ASIC)芯片，两枚芯片 封装在一个表面贴装器件封装体中。MEMS芯片包括一个刚性穿孔背电极和一片 用作电容器的弹性硅膜。该弹性硅膜将声波转换为电容变化。 ASIC 芯片用于检测电容变化，并将其转换为电信号输出。序号名称1Cover2Housing3Wire bonding4PC Board5Capacitor 10pF6Capacitor 33pF7ASIC8MEMS Die图1 硅麦克风结构图在MEMS麦克风设计中，电路是一

4、个非常重要的环节，它将影响到微麦克风 的操作、感测，以及系统的灵敏度。图 2 硅麦克风应用电路模型传统麦克风一般的尺寸一般比硅麦克风大一倍多，因为其工艺的水准，并且 不能进行表面贴装操作。这样就在很多环境下有了很大的限制，在 MEMS 麦克风 的制造过程中，SMT回流焊简化了制造流程，这样就可以省略一个手工操作的步 骤，从而节约成本。MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm 的小型薄膜的重量同样轻巧，这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装 在同一 PCMEMS麦克风需要ASIC提供的外部偏置，ASIC中的电荷泵装置提供外 部直流偏置电压，而ECM没有这种偏置。稳定有效

5、的偏置将使MEMS麦克风在整 个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，还支持具有不同敏感性的麦 克风设计。与 ECM 的聚合材料振动膜相比，硅在本质上能够耐受表面安装时所需的高温 环境，而其封装结构又能使这种麦克风系统的总体高度降低，同时由于没有任何 的电荷存于其中，所以MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性 不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260C 的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，还可以 节省制造过程中的音频调试成本。ADI 公司的 MEMS 产品是应用了回流焊技术，最重要的是没有影响精度，实现 了远场

6、音讯捕捉，多重麦克风波束成型算法则的应用，低功耗等优点，ADI的产 品广泛用于类比信号和数码信号处理领域，相信在接下来的发展中，一定会生产 出更好的产品。三、硅麦克风的特点作为MEMS中重要的器件，硅麦克风很早就进入了实验室。90年代初，德国 就已经制作出了当时最小的麦克风，是用二氧化硅制作，已经达到目前硅麦克风 的大小。众所周知，麦克风是人们的生活中十分普遍，又相当重要的电子器件。它接 受声音信号，通过电缆或光纤传送到世界各地，是人们远距离交流的必要器件。 所以人们很早就开始了对麦克风的研究。硅麦克风是指在硅片上，利用微系统工艺(MST)制造，工艺尺寸一般在微 米、毫米之间，能够把声信号转化

7、成电信号完成传感器功能。目前市面上最流行 的就是驻极体麦克风，它的面积已经达到比较小的水平，一般直径在3-5mm。但 是硅麦克风可以做到更小，可以做到直径在1 毫米或者1 毫米以下。硅麦克风 的优点主要在于如下几个方面：(1) 性能好：硅麦克风在灵敏度上没有降低外，还提高了抗干扰能力，防潮。 对温度的要求大大下降，可以实现卷带式包装，承受260C高温回流焊。(2) 体积小：体积的缩小可以大大减小其对声场的影响，在一些特殊场合， 比方说超静密室里测试微量声波。这是人耳不可能实现的功能。(3) 可集成：在制作工艺上，硅麦克风是和集成电路工艺兼容的，如果把硅 麦克风制作入片上系统(SOC)中，那么麦

8、克风就不单单只是个器件，它可以根 据用户需求完成特定的功能，并且体积不增加。(4) 可批量生产：采用微系统工艺和集成电路工艺制作的硅麦克风是很容易 实现批量生产的，批量生产最直接的作用就是降低成本，同时大量的硅麦克风的 应用就会更为容易。麦克风阵列就成为人们日常所使用的麦克风了。目前流行的硅麦克风都是采用硅为基片，使用 MEMS 技术制造的麦克风有多 个种类，如电容式、压电式、压阻式、场效应管式、热线式、光波导式等。近年 来文献都以电容式居多，它是背极板和振膜组成平板电容，声波作用于振膜，将 声信号转变成电信号。背极做在硅基片上，以氮化硅等材料形成振膜，由于材料 和工艺特点，这类硅麦克风具有体

9、积小、性能稳定、抗干扰性强。四、硅麦克风的设计频系统设计人员的主要挑战是在系统设计中使总体噪声最低。ECM的噪声由 若干来源决定：偏置电压波动引起的电子噪声，FET噪声，板级噪声，振膜的声 音自噪声，以及被耦合到FET的高阻抗输入的外部电磁(EM)场和射频(RF)场。当安置有 ECM 的系统靠近带有功率控制的射频发射器时，功率控制产生的 RF 信号的音频成份可通过麦克风解调，转换为可闻于音频路径的声音信号。低功率 的便携式设备一般使用功率门限(powergating)技术，不在使用中时就关断RF。 这种门限在音频下出现。在 ECM 中，由 FET 的高阻抗栅极来调校发射功率放大器的门限(在音频

10、频段 内出现)，并放大信号。一旦信号进入音频频段，就很难消除。当音频信号产生 可听见的干扰(一般称为击穿噪声)时，RF功率放大器的功率门限开启。减少ECM 击穿噪声最有效的方法是把栅极引线长度减至最短，并用一个电容来滤除手机、 笔记本电脑等配备有Wi-Fi功能的无线系统中出现的RF干扰。这一电容应该加 在 FET 的漏极上，并最好位于麦克风罐内部。该电容容值根据干扰场的载波频率 和电容的最佳衰减频率来选择。电容的衰减频率可从制造商提供的规格手册中查 到。音频系统中另一个最常见的噪声源是电源(偏置电压)波动。ECM是低敏感度 的麦克风，输出lOmVrms数量级的很小的模拟信号。由于ECM没有任何

11、电源抑制 (PSR)能力，电源很小的波动就能引起用户能听到小输出信号波动。因此，为了 维持最佳信噪比，应该采用额外的滤波元件来保持麦克风偏置电源的“干净”。在音频系统中使用ECM还带来了许多机械设计和制造方面的挑战。首先也是 最重要的，虽然ECM 一直在不断缩小，但它已达到其尺寸极限，再进一步变小， 就得付出敏感性、频率响应及噪声等性能降低的代价。目前，便携式电子设备中 所用ECM的标准尺寸范围为直径46mm，高度1.02.0mm。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，

12、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(pickandplace)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CMOSMEMS

13、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

14、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。下图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)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

15、，并不再 需要额外的滤波线路来保持电源线的“干净”。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，CMOSMEMS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

16、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。CMOS MEMS麦克风还能够在芯片上集成一个模数转换器，形成一个具有强健 数字输出的麦克风。由于大多数便携式应用最终都会把麦克风的模拟输出转换为 数字信号来处理，因此系统架构可以设计成完全数字式的，这样一来，就从电路 板上去掉了很容易产生噪声的模拟信号，并简化了总体设计。使用数字CMOS MEMS麦克风的优点在麦克风和CODEC之间需要很长电缆的应 用中最为显著，比如笔记本