硅麦克风器件设计综述.docx

硅麦克风器件设计综述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。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，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。(