硅麦克风器件设计综述

1、硅麦克风器件设计综述一、 硅麦克风概述麦克风学名为传声器，能够将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称话筒，麦克风，微音器。硅微型麦克风，通过利用集成电路技术将微型机械系统与电子组件集成于硅晶面板的表面。在消费性应用市场方面，未来将朝个人可携式的产品发展，通讯应用市场则以RF MEMS、MEMS麦克风为主。未来低成本、高性能的MEMS麦克风取代ECM麦克风将成为趋势，其中MEMS麦克风于手机上将率先广泛使用。硅麦克风是一种低成本、高性能以取代传统 ECM 麦克风的新技术。和传统麦克风需要客户在应用中离线、手动装配不一样的是硅麦克风是封装在卷带中的，因此可以利用传统的表面贴片设备完成自动装配。

2、由于采用硅材料制作，这种具有革新意义的麦克风汲取了半导体工艺技术的种种优点。这样生产出来的麦克风集生产高度重复性、优异的声音性能和将来灵活的扩展性能于一身。二、硅麦克风工作原理传统麦克风是根据声波产生的空气流动对薄片的冲击，使其产生形变，从而改变电容，是输出电信号改变，从而反映出入口处的声波的频率和幅度的变化。硅麦克风的组成一般是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路、声腔、RF抗干扰电路这几个部分组成的。MEMS微电容极头包括接受声音的硅振膜和硅背极，硅振膜可以直接接收到音频信号，经过MEMS微电容传感器传输给微集成电路，微集成电路把高阻的音频电信号转换并放大成低阻的电信号，同时经RF抗噪电

3、路滤波，输出与前置电路匹配的电信号，就完成了声电转换。通过对电信号的读取，从而实现对声音的识别。 硅麦克风内含两个芯片MEMS芯片和专用集成电路(ASIC)芯片，两枚芯片封装在一个表面贴装器件封装体中。MEMS芯片包括一个刚性穿孔背电极和一片用作电容器的弹性硅膜。该弹性硅膜将声波转换为电容变化。ASIC芯片用于检测电容变化，并将其转换为电信号输出。图1 硅麦克风结构图在MEMS麦克风设计中，电路是一个非常重要的环节，它将影响到微麦克风的操作、感测，以及系统的灵敏度。图2 硅麦克风应用电路模型传统麦克风一般的尺寸一般比硅麦克风大一倍多，因为其工艺的水准，并且不能进行表面贴装操作。这样就在很多环境

4、下有了很大的限制，在MEMS麦克风的制造过程中，SMT回流焊简化了制造流程，这样就可以省略一个手工操作的步骤，从而节约成本。MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm的小型薄膜的重量同样轻巧，这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装在同一PCMEMS麦克风需要ASIC提供的外部偏置，ASIC中的电荷泵装置提供外部直流偏置电压，而ECM没有这种偏置。稳定有效的偏置将使MEMS麦克风在整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，还支持具有不同敏感性的麦克风设计。与ECM的聚合材料振动膜相比，硅在本质上能够耐受表面安装时所需的高温环境，而其封装结构又能使这种麦克风系统的总体

5、高度降低，同时由于没有任何的电荷存于其中，所以MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，还可以节省制造过程中的音频调试成本。ADI公司的MEMS产品是应用了回流焊技术，最重要的是没有影响精度，实现了远场音讯捕捉，多重麦克风波束成型算法则的应用，低功耗等优点，ADI 的产品广泛用于类比信号和数码信号处理领域，相信在接下来的发展中，一定会生产出更好的产品。三、硅麦克风的特点作为MEMS 中重要的器件，硅麦克风很早就进入了实验室。90 年代初，德国就已

6、经制作出了当时最小的麦克风，是用二氧化硅制作，已经达到目前硅麦克风的大小。众所周知，麦克风是人们的生活中十分普遍，又相当重要的电子器件。它接受声音信号，通过电缆或光纤传送到世界各地，是人们远距离交流的必要器件。所以人们很早就开始了对麦克风的研究。硅麦克风是指在硅片上，利用微系统工艺（MST）制造，工艺尺寸一般在微米、毫米之间，能够把声信号转化成电信号完成传感器功能。目前市面上最流行的就是驻极体麦克风，它的面积已经达到比较小的水平，一般直径在3-5mm。但是硅麦克风可以做到更小，可以做到直径在1 毫米或者1 毫米以下。硅麦克风的优点主要在于如下几个方面：(1)性能好：硅麦克风在灵敏度上没有降低外

7、，还提高了抗干扰能力，防潮。对温度的要求大大下降，可以实现卷带式包装，承受260高温回流焊。(2)体积小：体积的缩小可以大大减小其对声场的影响，在一些特殊场合，比方说超静密室里测试微量声波。这是人耳不可能实现的功能。(3)可集成：在制作工艺上，硅麦克风是和集成电路工艺兼容的，如果把硅麦克风制作入片上系统（SOC）中，那么麦克风就不单单只是个器件，它可以根据用户需求完成特定的功能，并且体积不增加。(4)可批量生产：采用微系统工艺和集成电路工艺制作的硅麦克风是很容易实现批量生产的，批量生产最直接的作用就是降低成本，同时大量的硅麦克风的应用就会更为容易。麦克风阵列就成为人们日常所使用的麦克风了。目前

8、流行的硅麦克风都是采用硅为基片，使用MEMS 技术制造的麦克风有多个种类，如电容式、压电式、压阻式、场效应管式、热线式、光波导式等。近年来文献都以电容式居多，它是背极板和振膜组成平板电容，声波作用于振膜，将声信号转变成电信号。背极做在硅基片上，以氮化硅等材料形成振膜，由于材料和工艺特点，这类硅麦克风具有体积小、性能稳定、抗干扰性强。四、硅麦克风的设计频系统设计人员的主要挑战是在系统设计中使总体噪声最低。ECM的噪声由若干来源决定：偏置电压波动引起的电子噪声，FET噪声，板级噪声，振膜的声音自噪声，以及被耦合到FET的高阻抗输入的外部电磁(EM)场和射频(RF)场。当安置有ECM的系统靠近带有功

9、率控制的射频发射器时，功率控制产生的RF信号的音频成份可通过麦克风解调，转换为可闻于音频路径的声音信号。低功率的便携式设备一般使用功率门限(powergating)技术，不在使用中时就关断RF。这种门限在音频下出现。在ECM中，由FET的高阻抗栅极来调校发射功率放大器的门限(在音频频段内出现)，并放大信号。一旦信号进入音频频段，就很难消除。当音频信号产生可听见的干扰(一般称为击穿噪声)时，RF功率放大器的功率门限开启。减少ECM击穿噪声最有效的方法是把栅极引线长度减至最短，并用一个电容来滤除手机、笔记本电脑等配备有Wi-Fi功能的无线系统中出现的RF干扰。这一电容应该加在FET的漏极上，并最好

10、位于麦克风罐内部。该电容容值根据干扰场的载波频率和电容的最佳衰减频率来选择。电容的衰减频率可从制造商提供的规格手册中查到。音频系统中另一个最常见的噪声源是电源(偏置电压)波动。ECM是低敏感度的麦克风，输出10mVrms数量级的很小的模拟信号。由于ECM没有任何电源抑制(PSR)能力，电源很小的波动就能引起用户能听到小输出信号波动。因此，为了维持最佳信噪比，应该采用额外的滤波元件来保持麦克风偏置电源的“干净”。在音频系统中使用ECM还带来了许多机械设计和制造方面的挑战。首先也是最重要的，虽然ECM一直在不断缩小，但它已达到其尺寸极限，再进一步变小，就得付出敏感性、频率响应及噪声等性能降低的代价

11、。目前，便携式电子设备中所用ECM的标准尺寸范围为直径46mm，高度1.02.0mm。另一项挑战是ECM不仅能够检测声音信号，还能检测出机械振动，并最终把振动转换为低频声音信号。当ECM被置于振动环境时，比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上，音频系统的主要噪声源将是振动。减少麦克风处振动的唯一方法是，在把麦克风安装在电路板上时，采用额外的机械隔离材料。此外，不论是制作ECM振膜和背板的材料，还是ECM的永久振膜充电，在表面安装必需的高温下，性能都会显著下降。因此，在麦克风和电路板之间必须使用某种形式的电子互连(插座或弹性压缩式连接器)，从而使本已很大的元件总体高度更大(与目前许多便携式电子

12、设备的纤薄外形相比)。最后，因为ECM不能进行表面安装，而需手工组装，故与能够采用自动分捡(pickandplace)组装工艺，能被焊接到电路板上的元件相比，它的组装成本更高，可靠性更低。Akustica公司正在利用称为CMOSMEMS的最新型MEMS技术开发新一代的单芯片硅晶麦克风。不同于其它硅晶麦克风需要至少两块硅芯片，一块用作硅晶麦克风换能器单元，另一块用作集成电路(IC),CMOS MEMS麦克风是单块式集成电路，其中MEMS换能器单元由标准CMOS晶圆中的金属介电质结构形成。由于CMOS MEMS麦克风是采用业界标准CMOS工艺和目前用来制造集成电路的设备制作的，故该器件可以在全球任

13、何一家CMOS晶圆厂生产。CMOS MEMS器件的制造已在九家不同的晶圆厂，经从0.6微米三层金属工艺到0.18微米铜互连工艺的11种不同CMOS技术得到验证。结果证明这项技术具有半导体制造的高良率和可重复性，能够以极高批量大规模生产。在CMOS MEMS平台上开发的单块集成电路硅晶麦克风解决方案使消费电子设备设计人员和制造商得以避免众多ECM相关问题。下图是一个单芯片硅晶麦克风的俯视图和横截面图。这一单块芯片由MEM换能器(transducer)和阻抗匹配线路组成，它也是一个带有可移动振膜和刚性背板的电容性传感器。图3 CMOS MEMS麦克风芯片的俯视图(a)和横截面图(b)鉴于CMOS

14、MEMS麦克风更类似于模拟IC而非ECM，它也采用类似于IC的供电分式，直接连接到电源。电源输入和系统其余部分之间的片上隔离为元件增加了PSR，使CMOS MEMS麦克风本质上比ECM具有更强的抗电源噪声能力，并不再需要额外的滤波线路来保持电源线的“干净”。当在微米级的声学结构内制作电子线路时，线迹长度很短，能够提高减少击穿噪声的能力。不同于ECM中的FET，在CMOS MEMS麦克风中，由于是片上放大级，隔膜和前置放大器的间距极短，输入输出隔离更好。因为有电源和输出信号隔离更好，加上隔膜到前置放大器的距离更短，几乎没有可能会把电磁场耦合到麦克风里。CMOS MEMS麦克风还解决了使用ECM所

15、遇到的许多机械设计和制造方面的挑战。首先，CMOSMEMS麦克风单块集成电路的特性使其占位面积和高度比传统ECM尺寸的一半还要小。其次，CMOS MEMS麦克风振膜的尺寸和质量都很小，较之直径4-6mm的ECM振膜，其直径小于0.5mm，提高了抗振动性。第三，由于CMOS MEMS麦克风是采用标准CMOS材料和工艺制作的，它们本质上就能够耐受表面安装时所需的高温环境。无需机械互连又使这种麦克风系统的总体高度显著降低。最后，CMOS硅晶麦克风具有表面安装和分捡兼容性，不再需要进行手工组装，故而降低了成本，并提高了可靠性、生产能力和良率。CMOS MEMS麦克风还能够在芯片上集成一个模数转换器，形

16、成一个具有强健数字输出的麦克风。由于大多数便携式应用最终都会把麦克风的模拟输出转换为数字信号来处理，因此系统架构可以设计成完全数字式的，这样一来，就从电路板上去掉了很容易产生噪声的模拟信号，并简化了总体设计。使用数字CMOS MEMS麦克风的优点在麦克风和CODEC之间需要很长电缆的应用中最为显著，比如笔记本电脑平台，为达最佳声效，一般麦克风被安装在显示器中，而CODEC则安装在电脑主体的母板上。在这种情形下，有许多电缆线和电子噪声源会对笔记本电脑显示器周围的小模拟声音信号产生干扰，故需要屏蔽布线(shieldedcabling)和其它过滤元件来将干扰减至最小。然而，若使用数字CMOS MEM

17、S麦克风，则无需屏蔽布线或过滤元件，简化了设计，减少了总体元件数目，降低了材料清单(BOM)成本。在为当前的下一代便携式电子设备设计音频系统时，CMOS MEMS麦克风能够解决使用ECM所无法解决的许多困难。利用Akustica公司的专利CMOS MEMS技术，可以把振膜与强有力的模数信号处理功能集成在单块芯片中，从而实现可用于未来的便携式电子设备的下一代麦克风。CMOS MEMS麦克风提供的这种设计简单性和生产效率将使手机、PC机、PDA和无数其它消费电子产品的设计人员及制造商能够制造出更强劲、功能更丰富、成本更低的产品，更好地为市场服务。五、硅麦克风的现状MEMS技术在20世纪70年代最初

18、开发，但一直到上个世纪90年代才首次投入生产。自此数百万MEMS器件已被应用在汽车的气囊/碰撞传感器和喷墨打印头等应用中。与集成电路相似，MEMS器件采用标准的半导体制造技术制造；这些工艺带来了前所未有的功能性、可靠性以及性能提升。MEMS器件的制造也朝着更小、更快、更经济的方向演变，也因此被越来越多的新应用所采用。 目前，麦克风在消费领域被广泛采用，如移动手机、便携式媒体播放器(PMP）、便携式导航设备(PND）、数码相机(DSC)、笔记本电脑、头戴式耳机等。在过去的3、4年中，硅麦克风解决方案的出现，已经渗透到当前驻极体电容麦克风(ECM)的市场群体。硅麦克风所具有的尺寸小巧、增强稳定性以

19、及可回流焊接的能力已经取得了巨大成就，尤其是在移动手机和笔记本电脑市场。市场研究报告表明，预计2011年全球市场MEMS麦克风的需求将达到16亿只。 对优良的音频质量、噪音消除以及指向性录音等性能的需求，持续推动着使用多个麦克风的发展趋势。这个不断升级的需求，把对高保真、高性价比麦克风解决方案的要求不断提高，使现有的ECM或硅麦克风都无法满足。为了实现这些新兴应用，客户需要每个麦克风在进行信号处理时提供公认的稳定性能。对于客户来说，采用这类先进麦克风的附加优势在于：在成品的组装和最终产品测试过程中，无需调整音频性能，从而降低了制造成本。 日前，欧胜微电子继CODECs、DACs、ADCs、Po

20、wer Management、Speaker Drivers之后，推出其全新系列硅麦克风的首两款产品。新的WM7110和WM7120是紧凑型、高信噪比模拟麦克风，适用于要求低功耗和卓越信号质量的消费应用。这两款新型芯片采用欧胜专有CMOS/MEMS(微机电系统)膜技术，在1个小型封装内提供高稳定性和高性能。欧胜同时还提供这两款芯片的升级版本WM7110E和WM7120E，这是第一款可提供+/-1dB灵敏度误差的MEMS硅麦克风。 2007年1月，欧胜收购了Oligon有限公司。Oligon当时已开发出CMOS-MEMS专利工艺，可应用于包括硅麦克风在内的许多膜基传感器设计之中。这项技术可使一系

21、列基于MEMS的器件在CMOS代工厂里，在带有其它混合信号技术晶圆上进行制造。通过对Oligon的收购，欧胜已经将两家公司的技术进行有效融合；这使得欧胜通过已有的供应链、合作晶圆厂、销售渠道和应用支持能力，来撬动CMOS-MEMS技术，并将新产品推向市场。 这两款新产品就是欧胜收购Oligon之后的第一个成果，并是欧胜的AudioPlus True Mics技术的首次应用。欧胜的技术基于其独有的、采用了标准CMOS代工的MEMS传感器知识产权(IP) ，提供更高的稳定性、可重复性以及可扩展的生产能力，为最终用户带来成本和灵活性方面的好处。MEMS麦克风能够承受表面贴装工艺中回流焊接技术的温度，

22、可采用自动贴装技术。因此无需麦克风的手工插件，从而减少装配的时间和成本。 EMES麦克风的市场和应用广阔，欧胜微电子大中国区总经理钟庆源介绍：“EMES麦克风远比传统的麦克风市场还要大。传统麦克风能用的，我们的EMES麦克风也都可以用，甚至于我们还可以补足传统麦克风的不足。”紧凑型WM7110和超微型WM7120芯片标准功耗为160µA，因此使之成为了便携式应用的理想之选，这些应用包括移动电话、便携式媒体播放器、数码照相机、摄像机、导航设备和降噪耳机。这两款芯片可提供一个提高了的62dB信噪比(A-weighted)，这是目前世界上最高的信噪比，可减少麦克风的背景噪音，确保提供更高性

23、价比的、纯净通透的声音捕捉。该芯片还具有较低的总谐波失真（THD），在100dB SPL时最大值为0.5%，出色的线性和平坦的相位响应。 作为第一款可提供+/-1dB的极小灵敏度误差的MEMS硅麦克风，升级版的WM7110E和WM7120E芯片改写了多个麦克风设计的定律，同时将创新的新型应用融入高性价比实现；以及无需昂贵的生产在线测试和校准软件算法，其极小的+/-1dB灵敏度误差为麦克风提供更好的匹配麦克风阵列波束成形设计的一项关键因素。通过使用更匹配的麦克风，还可显著提升噪声消除设计。 谈到MEMS硅麦克风的市场策略，欧胜微电子大中国区总经理钟庆源介绍：“我们第一个抢攻的是手机市场，这是最大

24、的份额。第二个加强的是新的应用，例如PNP、PND、数码相机等。” 最后，钟庆源表示：“欧胜的愿景就是希望建立起，透过新使用者的经验，结合欧胜的技术，使人类的感官世界通过欧胜中间的混合讯号处理可以一起连接到数字世界。” 七、硅麦克风的市场前景MEMS麦克风2012年出货量劲增近60%,手机是其主要应用领域，正在成为手机厂商日益重要的差异化因素。据IHS iSuppli公司的MEMS与传感器专题报告，MEMS麦克风去年大放异彩，在四大应用领域的推动下，出货量与营业收入双双大增。MEMS麦克风可以使移动设备获得清晰的音质。2012年MEMS麦克风出货量为20.5亿个，比2011年的13.0亿个大增

25、57%。今年出货量将进一步增长30%，达到26.6亿个，而且接下来至少三年内将保持可观的两位数增长率。到2016年，出货量将达到46.5亿个左右，如图1所示。图4 全球MEMS麦克风出货量预测 (以10亿个计算)2012年营业收入亦明显增长，上升42%至5.82亿美元，2016年有望达到10亿美元，当然这是在移动设备巨大的需求下带动的，并将持续强劲增长。麦克风仍然是MEMS市场中最为成功的领域之一，它在手机、笔记本、耳机与媒体平板这四大领域中的占有率不断上升，推动MEMS麦克风市场快速增长。游戏、相机、电视和助听器等其它领域，也在使用MEMS麦克风，拓宽了其应用领域。今年MEMS麦克风在机顶盒

26、中的使用将进一步增加，未来三年在汽车产业中的应用也会上升。手机是MEMS麦克风的最大应用领域，去年它在该领域中的占有率升至69%，2011和2010年分别是52%与38%。尤其是为了抑制噪声，现在智能手机开始采用多个麦克风。当手机执行语音命令时，比如苹果iPhone手机中的Siri系统，消除环境噪声至关重要。每部手机中的麦克风数量也呈现增长趋势：2010与2011年中高端智能手机多数使用两个麦克风，而自从苹果在iPhone 5上采用第三个麦克风以实现高清录像之后，三只麦克风很快成为标准配置。MEMS麦克风同样可能在媒体平板得到广泛使用，预计媒体平板到2016年将成为其第二大应用。尽管苹果首款i

27、Pad和三星电子Galaxy Tab等第一代平板电脑使用驻极体电容麦克风(ECM)，但MEMS已开始在第二代平板电脑中得到使用。噪声抑制和语音命令等新的用途，预计将会使平板电脑中使用的麦克风数量增加，将来某些平板电脑中最多可能使用四个麦克风。去年，有半数以上的笔记本电脑使用MEMS麦克风，并且出现在iPhone 4与4S的耳机之中。相对于ECM麦克风，越来越大厂商青睐MEMS麦克风价格与性能因素共同促进MEMS麦克风市场增长。虽然MEMS麦克风成本仍然高于ECM，但二者价格之间的差距不断缩小。相对于ECM，MEMS麦克风在可靠性、性能与容易制造方面具有优势。此外，音质与声学特点正在成为让移动产

28、品独具特色的重要因素，诺基亚与苹果等厂商愿意支付较高的溢价，以获得更好的性能，最近纷纷转向MEMS麦克风。例如，苹果第一代iPad和直到iPhone 3GS的iPhone一直完全使用ECM。但从iPad 2与iPhone 4开始，苹果就完全改用MEMS麦克风了。苹果与三星电子去年是MEMS麦克风的最大用户，合计占有MEMS总体出货量的54%，远高于LG电子和摩托罗拉等其它重要用户。MEMS麦克风的主要供应商是美国Knowles Electronics，尽管去年出货量份额从2011年的74%降至58%，但仍然主宰市场。Knowles Electronics是iPhone中MEMS麦克风的第二供应商，是iPad mini的第一供应商。其它重要MEMS麦克风供应商是AAC与歌尔，均为中国厂商，市场排名分别是第二与第三。美国亚德诺半导体排名第四，是iPhone 5中第三只麦克风的独家供应商该麦克风是高性能器件，为其带来大笔营业收入。去年，