基于硅MEMS技術(shù)的麥克風(fēng)簡化音頻設(shè)計(jì)

     本文將描述設(shè)計(jì)人員和制造商如何能夠利用基于CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的下一代麥克風(fēng)來克服ECM的眾多相關(guān)問題。

麥克風(fēng)技術(shù)的演變：從ECM到硅晶技術(shù)

     傳統(tǒng)ECM是一個金屬罐，由一層可移動的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)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(tǒng)設(shè)計(jì)，其中，F(xiàn)ET的源極接地，漏極一般通過一個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的輸出通過一個串聯(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單極高通濾波器(HPF)，有助于過濾掉可能使模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)人員通常通過從ECM附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個差分輸入放大器，消除了兩路線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(tǒng)的典型示意圖。

麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)：減少噪聲

       頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使總體噪聲最低。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。

       當(dāng)安置有ECM的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時，功率控制產(chǎn)生的RF信號的音頻成份可通過麥克風(fēng)解調(diào)，轉(zhuǎn)換為可聞于音頻路徑的聲音信號。低功率的便攜式設(shè)備一般使用功率門限(power gating)技術(shù)，不在使用中時就關(guān)斷RF。這種門限在音頻下出現(xiàn)。

      在ECM中，由FET的高阻抗柵極來調(diào)校發(fā)射功率放大器的門限(在音頻頻段內(nèi)出現(xiàn))，并放大信號。一旦信號進(jìn)入音頻頻段，就很難消除。當(dāng)音頻信號產(chǎn)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。減少ECM擊穿噪聲最有效的方法是把柵極引線長度減至最短，并用一個電容來濾除手機(jī)、筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無線系統(tǒng)中出現(xiàn)的RF干擾。這一電容應(yīng)該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風(fēng)罐內(nèi)部。該電容容值根據(jù)干擾場的載波頻率和電容的最佳衰減頻率來選擇。電容的衰減頻率可從制造商提供的規(guī)格手冊中查到。

      音頻系統(tǒng)中另一個最常見的噪聲源是電源(偏置電壓)波動。ECM是低敏感度的麥克風(fēng)，輸出10mVrms數(shù)量級的很小的模擬信號。由于ECM沒有任何電源抑制(PSR)能力，電源很小的波動就能引起用戶能聽到小輸出信號波動。因此，為了維持最佳信噪比，應(yīng)該采用額外的濾波元件來保持麥克風(fēng)偏置電源的“干凈”。

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

      另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是ECM不僅能夠檢測聲音信號，還能檢測出機(jī)械振動，并最終把振動轉(zhuǎn)換為低頻聲音信號。當(dāng)ECM被置于振動環(huán)境時，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(tǒng)的主要噪聲源將是振動。減少麥克風(fēng)處振動的唯一方法是，在把麥克風(fēng)安裝在電路板上時，采用額外的機(jī)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，性能都會顯著下降。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(shè)備的纖薄外形相比)。最后，因?yàn)镋CM不能進(jìn)行表面安裝，而需手工組裝，故與能夠采用自動分撿(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公司正在利用稱為CMOS MEMS的最新型MEMS技術(shù)開發(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(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓中的金屬介電質(zhì)結(jié)構(gòu)形成。由于CMOS MEMS麥克風(fēng)是采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和目前用來制造集成電路的設(shè)備制作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠生產(chǎn)。CMOS MEMS器件的制造已在九家不同的晶圓廠，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(yàn)證。結(jié)果證明這項(xiàng)技術(shù)具有半導(dǎo)體制造的高良率和可重復(fù)性，能夠以極高批量大規(guī)模生產(chǎn)。

      在CMOS MEMS平臺上開發(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。圖3是一個單芯片硅晶麥克風(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(fēng)芯片的俯視圖(a)和橫截面圖(b)。

      圖4所示為一個采用了CMOS MEMS模擬麥克風(fēng)的典型音頻系統(tǒng)。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”。

圖4: 采用CMOS MEMS麥克風(fēng)的典型音頻系統(tǒng)示意圖。

        當(dāng)在微米級的聲學(xué)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(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，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(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4-6mm的ECM振膜，其直徑小于0.5mm，提高了抗振動性。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模數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成一個具有強(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，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(shielded cabling)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。

本文小結(jié)

       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，CMOS MEMS麥克風(fēng)能夠解決使用ECM所無法解決的許多困難。表1總結(jié)了ECM麥克風(fēng)和CMOS MEMS麥克風(fēng)之間的不同之處，便于系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)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)。