基于硅MEMS技術(shù)的麥克風(fēng)簡(jiǎn)化音頻設計

本文將描述設計人員和制造商如何能夠利用基于CMOS(互補金屬氧化物半導體)MEMS(微機電系統)技術(shù)的下一代麥克風(fēng)來(lái)克服ECM的眾多相關(guān)問(wèn)題。

麥克風(fēng)技術(shù)的演變：從ECM到硅晶技術(shù)

傳統ECM是一個(gè)金屬罐，由一層可移動(dòng)的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場(chǎng)效應晶體管(FET)構成，如圖1所示。聲波使振膜彎曲，改變振膜和背板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發(fā)生改變，這種改變以電壓變化的形式輸出，可反映出進(jìn)入聲波的頻率和幅度。

圖1所示為一典型的音頻系統設計，其中，FET的源極接地，漏極一般通過(guò)一個(gè)2.2k的電阻偏置。

圖1: 駐極體電容器麥克風(fēng)(ECM)的橫截面簡(jiǎn)圖。

需注意，ECM的振膜與FET的柵極相連接，如圖2所示。ECM的輸出通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電容被AC耦合到前置放大器。這一AC耦合電容提供了一個(gè)單極高通濾波器(HPF)，有助于過(guò)濾掉可能使模數轉換器(ADC)進(jìn)一步飽和的有害低頻成份。盡管ECM的輸出是單端的，為獲得最佳噪聲性能，設計人員通常通過(guò)從ECM附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線(xiàn)跡，并使兩路線(xiàn)跡保持平衡，再使用一個(gè)差分輸入放大器，消除了兩路線(xiàn)跡中的共模板級噪聲源。

圖2: 采用ECM和集成式FET的音頻系統的典型示意圖。

麥克風(fēng)設計的挑戰：減少噪聲

頻系統設計人員的主要挑戰是在系統設計中使總體噪聲最低。ECM的噪聲由若干來(lái)源決定：偏置電壓波動(dòng)引起的電子噪聲，FET噪聲，板級噪聲，振膜的聲音自噪聲，以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁(EM)場(chǎng)和射頻(RF)場(chǎng)。

當安置有ECM的系統靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(shí)，功率控制產(chǎn)生的RF信號的音頻成份可通過(guò)麥克風(fēng)解調，轉換為可聞?dòng)谝纛l路徑的聲音信號。低功率的便攜式設備一般使用功率門(mén)限(power gating)技術(shù)，不在使用中時(shí)就關(guān)斷RF。這種門(mén)限在音頻下出現。

在ECM中，由FET的高阻抗柵極來(lái)調校發(fā)射功率放大器的門(mén)限(在音頻頻段內出現)，并放大信號。一旦信號進(jìn)入音頻頻段，就很難消除。當音頻信號產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的干擾(一般稱(chēng)為擊穿噪聲)時(shí)，RF功率放大器的功率門(mén)限開(kāi)啟。減少ECM擊穿噪聲最有效的方法是把柵極引線(xiàn)長(cháng)度減至最短，并用一個(gè)電容來(lái)濾除手機、筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無(wú)線(xiàn)系統中出現的RF干擾。這一電容應該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風(fēng)罐內部。該電容容值根據干擾場(chǎng)的載波頻率和電容的最佳衰減頻率來(lái)選擇。電容的衰減頻率可從制造商提供的規格手冊中查到。

音頻系統中另一個(gè)最常見(jiàn)的噪聲源是電源(偏置電壓)波動(dòng)。ECM是低敏感度的麥克風(fēng)，輸出10mVrms數量級的很小的模擬信號。由于ECM沒(méi)有任何電源抑制(PSR)能力，電源很小的波動(dòng)就能引起用戶(hù)能聽(tīng)到小輸出信號波動(dòng)。因此，為了維持最佳信噪比，應該采用額外的濾波元件來(lái)保持麥克風(fēng)偏置電源的“干凈”。

在音頻系統中使用ECM還帶來(lái)了許多機械設計和制造方面的挑戰。首先也是最重要的，雖然ECM一直在不斷縮小，但它已達到其尺寸極限，再進(jìn)一步變小，就得付出敏感性、頻率響應及噪聲等性能降低的代價(jià)。目前，便攜式電子設備中所用ECM的標準尺寸范圍為直徑4～6mm，高度1.0～2.0mm。

另一項挑戰是ECM不僅能夠檢測聲音信號，還能檢測出機械振動(dòng)，并最終把振動(dòng)轉換為低頻聲音信號。當ECM被置于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系統的主要噪聲源將是振動(dòng)。減少麥克風(fēng)處振動(dòng)的唯一方法是，在把麥克風(fēng)安裝在電路板上時(shí)，采用額外的機械隔離材料。

此外，不論是制作ECM振膜和背板的材料，還是ECM的永久振膜充電，在表面安裝必需的高溫下，性能都會(huì )顯著(zhù)下降。因此，在麥克風(fēng)和電路板之間必須使用某種形式的電子互連(插座或彈性壓縮式連接器)，從而使本已很大的元件總體高度更大(與目前許多便攜式電子設備的纖薄外形相比)。最后，因為ECM不能進(jìn)行表面安裝，而需手工組裝，故與能夠采用自動(dòng)分撿(pick and place)組裝工藝，能被焊接到電路板上的元件相比，它的組裝成本更高，可靠性更低。

Akustica公司正在利用稱(chēng)為CMOS MEMS的最新型MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)新一代的單芯片硅晶麥克風(fēng)。不同于其它硅晶麥克風(fēng)需要至少兩塊硅芯片，一塊用作硅晶麥克風(fēng)換能器單元，另一塊用作集成電路(IC), CMOS MEMS麥克風(fēng)是單塊式集成電路，其中MEMS換能器單元由標準CMOS晶圓中的金屬介電質(zhì)結構形成。由于CMOS MEMS麥克風(fēng)是采用業(yè)界標準CMOS工藝和目前用來(lái)制造集成電路的設備制作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠(chǎng)生產(chǎn)。CMOS MEMS器件的制造已在九家不同的晶圓廠(chǎng)，經(jīng)從0.6微米三層金屬工藝到0.18微米銅互連工藝的11種不同CMOS技術(shù)得到驗證。結果證明這項技術(shù)具有半導體制造的高良率和可重復性，能夠以極高批量大規模生產(chǎn)。

在CMOS MEMS平臺上開(kāi)發(fā)的單塊集成電路硅晶麥克風(fēng)解決方案使消費電子設備設計人員和制造商得以避免眾多ECM相關(guān)問(wèn)題。圖3是一個(gè)單芯片硅晶麥克風(fēng)的俯視圖和橫截面圖。這一單塊芯片由MEM換能器(transducer)和阻抗匹配線(xiàn)路組成，它也是一個(gè)帶有可移動(dòng)振膜和剛性背板的電容性傳感器。

圖3: CMOS MEMS 麥克風(fēng)芯片的俯視圖(a)和橫截面圖(b)。

圖4所示為一個(gè)采用了CMOS MEMS模擬麥克風(fēng)的典型音頻系統。鑒于CMOS MEMS麥克風(fēng)更類(lèi)似于模擬IC而非ECM，它也采用類(lèi)似于IC的供電分式，直接連接到電源。電源輸入和系統其余部分之間的片上隔離為元件增加了PSR，使CMOS MEMS麥克風(fēng)本質(zhì)上比ECM具有更強的抗電源噪聲能力，并不再需要額外的濾波線(xiàn)路來(lái)保持電源線(xiàn)的“干凈”。

圖4: 采用CMOS MEMS麥克風(fēng)的典型音頻系統示意圖。

當在微米級的聲學(xué)結構內制作電子線(xiàn)路時(shí)，線(xiàn)跡長(cháng)度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。 不同于ECM中的FET，在CMOS MEMS麥克風(fēng)中，由于是片上放大級，隔膜和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好。因為有電源和輸出信號隔離更好，加上隔膜到前置放大器的距離更短，幾乎沒(méi)有可能會(huì )把電磁場(chǎng)耦合到麥克風(fēng)里。

CMOS MEMS麥克風(fēng)還解決了使用ECM所遇到的許多機械設計和制造方面的挑戰。首先，CMOS MEMS麥克風(fēng)單塊集成電路的特性使其占位面積和高度比傳統ECM尺寸的一半還要小。其次，CMOS MEMS麥克風(fēng)振膜的尺寸和質(zhì)量都很小，較之直徑4-6mm的ECM振膜，其直徑小于0.5mm，提高了抗振動(dòng)性。第三，由于CMOS MEMS麥克風(fēng)是采用標準CMOS材料和工藝制作的，它們本質(zhì)上就能夠耐受表面安裝時(shí)所需的高溫環(huán)境。無(wú)需機械互連又使這種麥克風(fēng)系統的總體高度顯著(zhù)降低。最后， CMOS硅晶麥克風(fēng)具有表面安裝和分撿兼容性，不再需要進(jìn)行手工組裝，故而降低了成本，并提高了可靠性、生產(chǎn)能力和良率。

CMOS MEMS麥克風(fēng)還能夠在芯片上集成一個(gè)模數轉換器，形成一個(gè)具有強健數字輸出的麥克風(fēng)。由于大多數便攜式應用最終都會(huì )把麥克風(fēng)的模擬輸出轉換為數字信號來(lái)處理，因此系統架構可以設計成完全數字式的，這樣一來(lái)，就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪聲的模擬信號，并簡(jiǎn)化了總體設計。

使用數字CMOS MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)在麥克風(fēng)和CODEC之間需要很長(cháng)電纜的應用中最為顯著(zhù)，比如筆記本電腦平臺，為達最佳聲效，一般麥克風(fēng)被安裝在顯示器中，而CODEC則安裝在電腦主體的母板上。在這種情形下，有許多電纜線(xiàn)和電子噪聲源會(huì )對筆記本電腦顯示器周?chē)男∧M聲音信號產(chǎn)生干擾，故需要屏蔽布線(xiàn)(shielded cabling)和其它過(guò)濾元件來(lái)將干擾減至最小。然而，若使用數字CMOS MEMS麥克風(fēng)，則無(wú)需屏蔽布線(xiàn)或過(guò)濾元件，簡(jiǎn)化了設計，減少了總體元件數目，降低了材料清單(BOM)成本。

本文小結

在為當前的下一代便攜式電子設備設計音頻系統時(shí)，CMOS MEMS麥克風(fēng)能夠解決使用ECM所無(wú)法解決的許多困難。表1總結了ECM麥克風(fēng)和CMOS MEMS麥克風(fēng)之間的不同之處，便于系統和機械設計人員以及制造商更好地利用CMOS MEMS麥克風(fēng)。

表1: ECM麥克風(fēng)和CMOS MEMS麥克風(fēng)的主要特性比較。

利用Akustica公司的專(zhuān)利CMOS MEMS技術(shù)，可以把振膜與強有力的模數信號處理功能集成在單塊芯片中，從而實(shí)現可用于未來(lái)的便攜式電子設備的下一代麥克風(fēng)。CMOS MEMS麥克風(fēng)提供的這種設計簡(jiǎn)單性和生產(chǎn)效率將使手機、PC機、PDA和無(wú)數其它消費電子產(chǎn)品的設計人員及制造商能夠制造出更強勁、功能更豐富、成本更低的產(chǎn)品，更好地為市場(chǎng)服務(wù)。