硅麥克風器件設計綜述-文庫吧資料
2025-07-06 06:59本頁面
【正文】 著更小、更快、更經濟的方向演變，也因此被越來越多的新應用所采用。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。CMOS MEMS麥克風提供的這種設計簡單性和生產效率將使手機、PC機、PDA和無數(shù)其它消費電子產品的設計人員及制造商能夠制造出更強勁、功能更豐富、成本更低的產品，更好地為市場服務。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。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。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換為數(shù)字信號來處理，因此系統(tǒng)架構可以設計成完全數(shù)字式的，這樣一來，就從電路板上去掉了很容易產生噪聲的模擬信號，并簡化了總體設計。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、生產能力和良率。第三，由于CMOS MEMS麥克風是采用標準CMOS材料和工藝制作的，它們本質上就能夠耐受表面安裝時所需的高溫環(huán)境。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。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。當在微米級的聲學結構內制作電子線路時，線跡長度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。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。下圖是一個單芯片硅晶麥克風的俯視圖和橫截面圖。結果證明這項技術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(guī)模生產。由于CMOS MEMS麥克風是采用業(yè)界標準CMOS工藝和目前用來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晶圓廠生產。Akustica公司正在利用稱為CMOSMEMS的最新型MEMS技術開發(fā)新一代的單芯片硅晶麥克風。因此，在麥克風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)。減少麥克風處振動的唯一方法是，在把麥克風安裝在電路板上時，采用額外的機械隔離材料。另一項挑戰(zhàn)是ECM不僅能夠檢測聲音信號，還能檢測出機械振動，并最終把振動轉換為低頻聲音信號。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。因此，為了維持最佳信噪比，應該采用額外的濾波元件來保持麥克風偏置電源的“干凈”。ECM是低敏感度的麥克風，輸出10mVrms數(shù)量級的很小的模擬信號。電容的衰減頻率可從制造商提供的規(guī)格手冊中查到。這一電容應該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風罐內部。當音頻信號產生可聽見的干擾(一般稱為擊穿噪聲)時，RF功率放大器的功率門限開啟。在ECM中，由FET的高阻抗柵極來調校發(fā)射功率放大器的門限(在音頻頻段內出現(xiàn))，并放大信號。低功率的便攜式設備一般使用功率門限(powergating)技術，不在使用中時就關斷RF。ECM的噪聲由若干來源決定：偏置電壓波動引起的電子噪聲，F(xiàn)ET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)場和射頻(RF)場。背極做在硅基片上，以氮化硅等材料形成振膜，由于材料和工藝特點，這類硅麥克風具有體積小、性能穩(wěn)定、抗干擾性強。目前流行的硅麥克風都是采用硅為基片，使用MEMS 技術制造的麥克風有多個種類，如電容式、壓電式、壓阻式、場效應管式、熱線式、光波導式等。(4)可批量生產：采用微系統(tǒng)工藝和集成電路工藝制作的硅麥克風是很容易實現(xiàn)批量生產的，批量生產最直接的作用就是降低成本，同時大量的硅麥克風的應用就會更為容易。這是人耳不可能實現(xiàn)的功能。對溫度的要求大大下降，可以實現(xiàn)卷帶式包裝，承受260℃高溫回流焊。但是硅麥克風可以做到更小，可以做到直徑在1 毫米或者1 毫米以下。硅麥克風是指在硅片上，利用微系統(tǒng)工藝（MST）制造，工藝尺寸一般在微米、毫米之間，能夠把聲信號轉化成電信號完成傳感器功能。它接受聲音信號，通過電纜或光纖傳送到世界各地，是人們遠距離交流的必要器件。90 年代初，德國就已經制作出了當時最小的麥克風，是用二氧化硅制作，已經達到目前
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