CMOS電容式麥克風(fēng)設(shè)計詳解

電容式麥克風(fēng)的中心議題：

• 電容式微麥克風(fēng)原理

電容式麥克風(fēng)的解決方案：

• 電容式微麥克風(fēng)原理
  
• CMOS微機(jī)電麥克風(fēng)電路設(shè)計
  
• CMOS微機(jī)電麥克風(fēng)工藝分類
• 純MEMS與CMOS工藝的差異

隨著智能手機(jī)的興起，對于聲音品質(zhì)和輕薄短小的需求越來越受到大家的重視，近年來廣泛應(yīng)用的噪聲抑制及回聲消除技術(shù)均是為了提高聲音的品質(zhì)。相比于傳統(tǒng)的駐極體式麥克風(fēng)（ECM），電容式微機(jī)電麥克風(fēng)采用硅半導(dǎo)體材料制作，這便于集成模擬放大電路及ADC（∑-Δ ADC）電路，實現(xiàn)模擬或數(shù)字微機(jī)電麥克風(fēng)元件，以及制造微型化元件，非常適合應(yīng)用于輕薄短小的便攜式裝置。本文針對CMOS微機(jī)電麥克風(fēng)的設(shè)計與制造進(jìn)行介紹，并比較純MEMS與CMOS工藝微導(dǎo)入麥克風(fēng)的差異。

電容式微麥克風(fēng)原理

MEMS微麥克風(fēng)是一種微型的傳感器。其原理是利用聲音變化產(chǎn)生的壓力梯度使電容式微麥克風(fēng)的聲學(xué)振膜受聲壓干擾而產(chǎn)生形變，進(jìn)而改變聲學(xué)振膜與硅背極板之間的電容值。該電容值的變化由電容電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓值的輸出變化，再經(jīng)過放大電路將MEMS傳感器產(chǎn)生得到電壓放大輸出，從而將聲壓信號轉(zhuǎn)化成電壓信號。在此必須采用一個高阻抗的電阻為MEMS傳感器提供一個偏置電壓VPP，借以在MEMS傳感器上產(chǎn)生固定電荷，最后的輸出電壓將與VPP 及振膜的形變Δd成正比。振膜的形變與其剛性有關(guān)，剛性越低則形變越大；另一方面，輸出電壓與d（氣隙）成反比，因此氣隙越低，則輸出電壓及靈敏度越優(yōu)，但這都將受限于MEMS傳感器的吸合電壓，也就是受限于MEMS傳感器靜電場的最大極限值。

CMOS微機(jī)電麥克風(fēng)電路設(shè)計

在CMOS微麥克風(fēng)設(shè)計中，電路是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它將影響到微麥克風(fēng)的操作、感測，以及系統(tǒng)的靈敏度。駐極式電容微麥克風(fēng)的感應(yīng)電荷由駐極體材料本身提供的駐極電荷所產(chǎn)生，而凝縮式電容微麥克風(fēng)則是采用從CMOS的操作電壓中抽取一個偏置電壓，再通過一個高阻抗電阻提供給微麥克風(fēng)的聲學(xué)振膜來提供固定的電荷源。此時，若聲學(xué)振膜受到聲壓驅(qū)動而產(chǎn)生位移變化，則電極板（感測端）的電壓將會發(fā)生變化。最后，通過電路放大器將信號放大，則可實現(xiàn)模擬麥克風(fēng)的電路設(shè)計；如果再加上一個∑-Δ ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，便可完成數(shù)字麥克風(fēng)的電路設(shè)計（一般數(shù)字麥克風(fēng)的輸出信號為1比特PDM輸出）。

CMOS微機(jī)電麥克風(fēng)工藝分類

從微機(jī)電麥克風(fēng)的制造來看，就目前的技術(shù)層面而言，集成CMOS電路的MEMS元件可分為三種。Pre-CMOS MEMS工藝：先制作MEMS結(jié)構(gòu)，再制作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS工藝：CMOS與MEMS元件工藝混合制造；Post-CMOS MEMS工藝：先實現(xiàn)CMOS元件，再進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)制造。一般而言，前兩種方法無法在傳統(tǒng)的晶圓廠進(jìn)行，而Post-CMOS MEMS則可以在半導(dǎo)體晶圓代工廠進(jìn)行生產(chǎn)。

下圖簡述了Post-CMOS MEMS的制造方式。在Post-CMOS MEMS工藝中需特別注意，不能讓額外的熱處理或高溫工藝影響到CMOS組件的物理特性及MEMS的應(yīng)力狀態(tài)，以免影響到振膜的初始應(yīng)力。鑫創(chuàng)科技公司克服了諸多的技術(shù)難題，完全采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來同時制造電路元件及微機(jī)電麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)。在CMOS部分完成后，將芯片的背面研磨至適當(dāng)厚度以符合封裝要求。最后，利用氫氟酸溶液（HF）去除犧牲氧化物來釋放懸浮結(jié)構(gòu)。此外，在設(shè)計中還需考慮可完全去除犧牲材料而又不損害麥克風(fēng)振膜的蝕刻方法，并應(yīng)避免麥克風(fēng)振膜與背電極板之間產(chǎn)生粘黏現(xiàn)象。
                                  
粘黏現(xiàn)象：由于麥克風(fēng)振膜與背電極板之間的距離僅為數(shù)微米，在該尺寸下，當(dāng)表面張力、范德華力、靜電力、離子鍵等作用力大于麥克風(fēng)振膜的回復(fù)力時，麥克風(fēng)振膜將產(chǎn)生永久形變而附著于背電極板上，從而無法產(chǎn)生振動。通常，微機(jī)電懸浮結(jié)構(gòu)粘黏現(xiàn)象的主要成因可以分為兩類：第一類發(fā)生在麥克風(fēng)振膜釋放后，麥克風(fēng)振膜受到表面張力影響，因而被拉近到與背電極板的距離非?？拷舸藭r范德華力或氫鍵力等表面力大于麥克風(fēng)振膜的回復(fù)力，則結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生粘黏現(xiàn)象而無法回復(fù)；第二類是懸浮結(jié)構(gòu)在使用中受到外力沖擊或是靜電力吸引而落入表面力較回復(fù)力大的區(qū)域，則也會發(fā)生粘黏現(xiàn)象。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，必須特別考慮麥克風(fēng)振膜在釋放后的結(jié)構(gòu)變形問題，并在重要的結(jié)構(gòu)部位予以強(qiáng)化，利用特殊設(shè)計來減少粘黏現(xiàn)象的發(fā)生。

純MEMS與CMOS工藝的差異

多數(shù)企業(yè)所開發(fā)的MEMS微麥克風(fēng)主要分為兩種形態(tài)：第一種是利用專業(yè)的MEMS代工廠制造出MEMS IC，再加上一個ASIC放大器，將MEMS IC及ASIC IC用SIP封裝方式封裝成MEMS麥克風(fēng)芯片。這一部分在IC封裝過程中必須保護(hù)振膜不被破壞，其封裝成本相對較高；另一種是先利用CMOS晶圓廠制造出ASIC部分，再利用后工藝來形成MEMS的結(jié)構(gòu)部分。其MEMS工藝技術(shù)目前似乎還無法在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS晶圓廠完成，這主要是由于振膜需沉積高分子聚合物材料，而高分子聚合物材料還未用于目前的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體IC工藝。另外，在CMOS工藝完成后，需分別在芯片的正面蝕刻出振膜并在其背面蝕刻出腔體及聲學(xué)孔。該步驟通過載體晶圓（Carrier Wafer）來完成，在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS鑄造廠目前尚未創(chuàng)建出這樣的環(huán)境。

目前，最大的課題是如何突破這兩種形態(tài)MEMS麥克風(fēng)的封裝技術(shù)。其專利均由美國的微麥克風(fēng)企業(yè)所掌控，因此，MEMS麥克風(fēng)市場占有率主要分布在少數(shù)企業(yè)手上。

有廠家采取的方式是在CMOS工藝完成后，從芯片的背面形成腔體和聲學(xué)孔作為MEMS結(jié)構(gòu)的釋放。這一部分無需使用特殊的機(jī)器和材料，可在現(xiàn)有的CMOS晶圓廠內(nèi)完成，因而能夠降低開發(fā)成本。另外，有些產(chǎn)品可直接利用晶圓級封裝技術(shù)將CMOS電路與微麥克風(fēng)集成在同一塊芯片上，同樣可避免在封裝過程中對振膜產(chǎn)生破壞。

MEMS麥克風(fēng)目前已經(jīng)取代ECM麥克風(fēng)被廣泛應(yīng)用于手機(jī)中（尤其是智能手機(jī)），其主要原因是MEMS麥克風(fēng)具有耐候性佳、尺寸小及易于數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)。MEMS麥克風(fēng)采用半導(dǎo)體材質(zhì)，特性穩(wěn)定，不會受到環(huán)境溫濕度的影響而發(fā)生改變，因而可以維持穩(wěn)定的音質(zhì)。電子產(chǎn)品組裝在過錫爐時的溫度高達(dá) 260℃，常會破壞ECM麥克風(fēng)的振膜而必須返工，這將增加額外的成本。采用MEMS麥克風(fēng)則不會因為錫爐的高溫而影響到材質(zhì)，適合于SMT的自動組裝。麥克風(fēng)信號在數(shù)字化后，可以對其進(jìn)行去噪、聲音集束及回聲消除等信號處理，從而能夠提供優(yōu)異的通話品質(zhì)。目前已有多款智能手機(jī)采用數(shù)字化技術(shù)，在功能手機(jī)中也有加速采用的跡象。此外，筆記本電腦也是目前使用MEMS麥克風(fēng)的主流，而機(jī)頂盒生產(chǎn)企業(yè)同樣在積極嘗試將MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用于開發(fā)聲控型機(jī)頂盒。