硅麥克風(fēng)器件設(shè)計(jì)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(tái)上開發(fā)的單塊集成電路硅晶麥克風(fēng)解決方案使消費(fèi)電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員和制造商得以避免眾多ECM相關(guān)問題。下圖是一個(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)鑒于CMOS MEMS麥克風(fēng)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(fēng)本質(zhì)上比ECM具有更強(qiáng)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(dāng)在微米級的聲學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)制作電子線路時(shí)，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(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?yàn)橛须娫春洼敵鲂盘柛綦x更好，加上隔膜到前置放大器的距離更短，幾乎沒有可能會(huì)把電磁場耦合到麥克風(fēng)里。CMOS MEMS麥克風(fēng)還解決了使用ECM所遇到的許多機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面的挑戰(zhàn)。首先，CMOSMEMS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(tǒng)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46mm的ECM振膜，提高了抗振動(dòng)性。第三，由于CMOS MEMS麥克風(fēng)是采用標(biāo)準(zhǔn)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。無需機(jī)械互連又使這種麥克風(fēng)系統(tǒng)的總體高度顯著降低。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(shù)轉(zhuǎn)換器，形成一個(gè)具有強(qiáng)健數(shù)字輸出的麥克風(fēng)。由于大多數(shù)便攜式應(yīng)用最終都會(huì)把麥克風(fēng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。使用數(shù)字CMOS MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)在麥克風(fēng)和CODEC之間需要很長電纜的應(yīng)用中最為顯著，比如筆記本電腦平臺(tái)，為達(dá)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，有許多電纜線和電子噪聲源會(huì)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(fēng)，則無需屏蔽布線或過濾元件，簡化了設(shè)計(jì)，減少了總體元件數(shù)目，降低了材料清單(BOM)成本。在為當(dāng)前的下一代便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，CMOS MEMS麥克風(fēng)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(qiáng)有力的模數(shù)信號處理功能集成在單塊芯片中，從而實(shí)現(xiàn)可用于未來的便攜式電子設(shè)備的下一代麥克風(fēng)。CMOS MEMS麥克風(fēng)提供的這種設(shè)計(jì)簡單性和生產(chǎn)效率將使手機(jī)、PC機(jī)、PDA和無數(shù)其它消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員及制造商能夠制造出更強(qiáng)勁、功能更豐富、成本更低的產(chǎn)品，更好地為市場服務(wù)。五、硅麥克風(fēng)的現(xiàn)狀MEMS技術(shù)在20世紀(jì)70年代最初開發(fā)，但一直到上個(gè)世紀(jì)90年代才首次投入生產(chǎn)。自此數(shù)百萬MEMS器件已被應(yīng)用在汽車的氣囊/碰撞傳感器和噴墨打印頭等應(yīng)用中。與集成電路相似，MEMS器件采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)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(jì)的方向演變，也因此被越來越多的新應(yīng)用所采用。 目前，麥克風(fēng)在消費(fèi)領(lǐng)域被廣泛采用，如移動(dòng)手機(jī)、便攜式媒體播放器(PMP）、便攜式導(dǎo)航設(shè)備(PND）、數(shù)碼相機(jī)(DSC)、筆記本電腦、頭戴式耳機(jī)等。在過去的4年中，硅麥克風(fēng)解決方案的出現(xiàn)，已經(jīng)滲透到當(dāng)前駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)的市場群體。硅麥克風(fēng)所具有的尺寸小巧、增強(qiáng)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(dòng)手機(jī)和筆記本電腦市場。市場研究報(bào)告表明，預(yù)計(jì)2011年全球市場MEMS麥克風(fēng)的需求將達(dá)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(dòng)著使用多個(gè)麥克風(fēng)的發(fā)展趨勢。這個(gè)不斷升級的需求，把對高保真、高性價(jià)比麥克風(fēng)解決方案的要求不斷提高，使現(xiàn)有的ECM或硅麥克風(fēng)都無法滿足。為了實(shí)現(xiàn)這些新興應(yīng)用，客戶需要每個(gè)麥克風(fēng)在進(jìn)行信號處理時(shí)提供公認(rèn)的穩(wěn)定性能。對于客戶來說，采用這類先進(jìn)
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