硅麥克風器件設計綜述(編輯修改稿)
2025-07-27 06:59 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 EMS平臺上開發(fā)的單塊集成電路硅晶麥克風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相關問題。下圖是一個單芯片硅晶麥克風的俯視圖和橫截面圖。這一單塊芯片由MEM換能器(transducer)和阻抗匹配線路組成，它也是一個帶有可移動振膜和剛性背板的電容性傳感器。圖3 CMOS MEMS麥克風芯片的俯視圖(a)和橫截面圖(b)鑒于CMOS MEMS麥克風更類似于模擬IC而非ECM，它也采用類似于IC的供電分式，直接連接到電源。電源輸入和系統(tǒng)其余部分之間的片上隔離為元件增加了PSR，使CMOS MEMS麥克風本質(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路來保持電源線的“干凈”。當在微米級的聲學結(jié)構(gòu)內(nèi)制作電子線路時，線跡長度很短，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，幾乎沒有可能會把電磁場耦合到麥克風里。CMOS MEMS麥克風還解決了使用ECM所遇到的許多機械設計和制造方面的挑戰(zhàn)。首先，CMOSMEMS麥克風單塊集成電路的特性使其占位面積和高度比傳統(tǒng)ECM尺寸的一半還要小。其次，CMOS MEMS麥克風振膜的尺寸和質(zhì)量都很小，較之直徑46mm的ECM振膜，提高了抗振動性。第三，由于CMOS MEMS麥克風是采用標準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所需的高溫環(huán)境。無需機械互連又使這種麥克風系統(tǒng)的總體高度顯著降低。最后，CMOS硅晶麥克風具有表面安裝和分撿兼容性，不再需要進行手工組裝，故而降低了成本，并提高了可靠性、生產(chǎn)能力和良率。CMOS MEMS麥克風還能夠在芯片上集成一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成一個具有強健數(shù)字輸出的麥克風。由于大多數(shù)便攜式應用最終都會把麥克風的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來處理，因此系統(tǒng)架構(gòu)可以設計成完全數(shù)字式的，這樣一來，就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪聲的模擬信號，并簡化了總體設計。使用數(shù)字CMOS MEMS麥克風的優(yōu)點在麥克風和CODEC之間需要很長電纜的應用中最為顯著，比如筆記本電腦平臺，為達最佳聲效，一般麥克風被安裝在顯示器中，而CODEC則安裝在電腦主體的母板上。在這種情形下，有許多電纜線和電子噪聲源會對筆記本電腦顯示器周圍的小模擬聲音信號產(chǎn)生干擾，故需要屏蔽布線(shieldedcabling)和其它過濾元件來將干擾減至最小。然而，若使用數(shù)字CMOS MEMS麥克風，則無需屏蔽布線或過濾元件，簡化了設計，減少了總體元件數(shù)目，降低了材料清單(BOM)成本。在為當前的下一代便攜式電子設備設計音頻系統(tǒng)時，CMOS MEMS麥克風能夠解決使用ECM所無法解決的許多困難。利用Akustica公司的專利CMOS MEMS技術(shù)，可以把振膜與強有力的模數(shù)信號處理功能集成在單塊芯片中，從而實現(xiàn)可用于未來的便攜式電子設備的下一代麥克風。CMOS MEMS麥克風提供的這種設計簡單性和生產(chǎn)效率將使手機、PC機、PDA和無數(shù)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，更好地為市場服務。五、硅麥克風的現(xiàn)狀MEMS技術(shù)在20世紀70年代最初開發(fā)，但一直到上個世紀90年代才首次投入生產(chǎn)。自此數(shù)百萬MEMS器件已被應用在汽車的氣囊/碰撞傳感器和噴墨打印頭等應用中。與集成電路相似，MEMS器件采用標準的半導體制造技術(shù)制造；這些工藝帶來了前所未有的功能性、可靠性以及性能提升。MEMS器件的制造也朝著更小、更快、更經(jīng)濟的方向演變，也因此被越來越多的新應用所采用。 目前，麥克風在消費領域被廣泛采用，如移動手機、便攜式媒體播放器(PMP）、便攜式導航設備(PND）、數(shù)碼相機(DSC)、筆記本電腦、頭戴式耳機等。在過去的4年中，硅麥克風解決方案的出現(xiàn)，已經(jīng)滲透到當前駐極體電容麥克風(ECM)的市場群體。硅麥克風所具有的尺寸小巧、增強穩(wěn)定性以及可回流焊接的能力已經(jīng)取得了巨大成就，尤其是在移動手機和筆記本電腦市場。市場研究報告表明，預計2011年全球市場MEMS麥克風的需求將達到16億只。 對優(yōu)良的音頻質(zhì)量、噪音消除以及指向性錄音等性能的需求，持續(xù)推動著使用多個麥克風的發(fā)展趨勢。這個不斷升級的需求，把對高保真、高性價比麥克風解決方案的要求不斷提高，使現(xiàn)有的ECM或硅麥克風都無法滿足。為了實現(xiàn)這些新興應用，客戶需要每個麥克風在進行信號處理時提供公認的穩(wěn)定性能。對于客戶來說，采用這類先進
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