MEMS 麦克风——助听器的未来.PDF

MEMS 麦克风——助听 器的未来 作者：Jerad Lewis 和Brian Moss 博士 图1. MEMS 麦克风的电容随声波的幅度而变化 由于人口老龄化和听力丧失人群的明显增加，助听器市场不断 增长，但其显眼的外形和很短的电池寿命让许多人失去兴趣。 在硅晶圆上制造麦克风传感器元件的工艺与其他集成电路(IC) 随着听力丧失现象变得更加常见，人们将寻求更加小巧、更有 的制造工艺相似。与ECM 制造技术不同，硅制造工艺非常精 效、更高品质的助听器。助听器信号链的前端是麦克风，它检 密且高度可重复。一个晶圆上制造的所有 MEMS 麦克风元件 测语音和其他环境噪声。因此，改善音频捕捉可以提高信号链 都具有相同的性能，不仅如此，而且在该产品的多年生命周期 整体的性能并降低功耗。 中，不同晶圆上的每一个元件也都具有相同的性能。 麦克风是把声学信号转换为电信号以供助听器音频信号链处 硅制造是在严格控制的环境中，利用一系列沉积和蚀刻工艺， 理的传感器。有许多技术可用于这种声电转换，但电容麦克风 产生金属和多晶硅的形状集合以形成 MEMS 麦克风。生产 是其中尺寸最小、精度最高的一类麦克风。电容麦克风中的薄 MEMS 麦克风涉及到的几何结构是微米(µm)级。声波所经过的 膜随着声学信号而运动，这种运动引起电容变化，进而产生电 背板中的孔直径可以小于10 µm，薄膜厚度可以是1 µm 左右。 信号。 薄膜与背板之间的间隙仅有数微米。图 2 所示为典型 MEMS 麦克风传感器元件的 SEM 图像，从顶部（薄膜）观看。图 3 驻极体电容麦克风(ECM)是助听器中使用最广泛的技术。ECM 所示为该麦克风元件中部的截面图。在该设计中，声波通过元 采用可变电容，其一个板由具有永久电荷的材料制成。ECM 件底部的空腔进入麦克风，并穿过背板孔以激励薄膜。 在当今助听行业声名显赫，但这些设备背后的技术自 1960 年 代以来并无多大变化。其性能、可重复性以及相对于温度和其 他环境条件的稳定性不是非常好。助听器以及其他注重高性能 和一致性的应用，为新型麦克风技术的发展创造了机会。新技 术应当能改善上述缺点，让制造商生产出更高质量、更加可靠 的设备。 微机电系统(MEMS) 技术是电容麦克风变革的中坚力量。 MEMS 麦克风利用了过去数十年来硅技术的巨大进步，包括超 小型制造结构、出色的稳定性和可重复性、低功耗，所有这些 都已成为硅工业不折不扣的要求。迄今为止，MEMS 麦克风的 功耗和噪声水平还是相当高，不宜用于助听器，但满足这两项 图2. MEMS 麦克风的SEM 图像 关键要求的新器件已经出现，正在掀起助听器麦克风的下一波 创新浪潮。 MEMS 麦克风工作原理 像ECM 一样，MEMS 麦克风也是电容麦克风。MEMS 麦克风 包含一个灵活悬浮的薄膜，它可在一个固定背板之上自由移 动，所有元件均在一个硅晶圆上制造。该结构形成一个可变电 容，固定电荷施加于薄膜与背板之间。传入的声压波通过背板 图3. MEMS 麦克风的横截面 中的孔，引起薄膜运动，其运动量与压缩和稀疏波的幅度成比 例。这种运动改变薄膜与背板之间的距离，进而改变电容，如 图1 所示。在电荷恒定的情况下，此电容变化转换为电信号。 Analog Dialogue 47-11, November (2013) /analogdialogue 1 由于几何结构在制造工艺中受到严格控制，因此不同麦克风的 实测性能具有高度可重复性。利用 MEMS 技术构建麦克风的 另一个优势是薄膜极小，因此其质量非常小，相比于薄膜质量 大得多的ECM ，MEMS 麦克风不易受振动影响。 发展、可重复性和稳定性 MEMS 麦克风已发展到很高的水平，它已成为很多要求小尺