MEMS麦克风的应用优势加速取代传统驻极体麦克风

26CompoTechChina/2008.03Feature每月特辑MEMS麦克风的应用优势加速取代传统驻极体麦克风◆RolandHelm博士英飞凌科技股份公司硅基麦克风项目经理愿景：完全集成的单芯片高级麦克风音频系统想象一下尺寸不到手表大小并带有集成麦克风的微型单芯片手机。想象一下内置麦克风的单芯片蓝牙耳机。想象一下比普通麦克风小的多并带有集成回声抵消和噪声消除系统的麦克风。新型MEMS（微型机电系统）技术的市场潜力包括麦克风还有待挖掘。但是第一批采用这种技术的产品如MEMS麦克风已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机。半导体传感器替代传统传感器并打开新的应用领域MEMS及其它半导体系统包含光学、电磁、射频、机械和微流体工作原理。基于这些系统的传感器有温度、磁场、指尖、加速度、压力或气流传感器。基于MEMS技术的压力传感器包括复杂的汽车轮胎压力监测系统、简单的用于测高计和MEMS麦克风的消费设备压力传感器。半导体传感器不仅替代了传统传感器，而且打开了新的应用领域，比如消费设备（游戏控制器或手机）中的加速度传感器。MEMS麦克风不仅取代了现有麦克风，而且为应用带来了新的价值。MEMS麦克风的工作原理是将一个微型电容器蚀刻到半导体中英飞凌麦克风SMM310内含两块MEMS麦克风外形较小，与目前广泛采用的驻极体麦克风相比，具备更强的耐热、抗振和防射频干扰性能。强大的耐热性能允许其采用全自动SMT生产工艺，而大多数驻极体麦克风则需手工焊接。这不仅能简化生产流程，降低生产成本，而且能够提供更高的设计自由度和系统成本优势。图1:从左至右：带有两枚芯片的麦克风的俯视图、仰视图以及展开图、MEMS（圆形硅膜）以及ASIC（黑点）芯片。应用篇272008.03/电子与电脑Feature每月特辑芯片：MEMS芯片和ASIC（专用集成电路）芯片。两颗芯片被封装在一个表面贴装器件中。如图1所示。MEMS芯片包括一个刚性穿孔背电极和一片弹性硅膜。MEMS芯片用作电容，将声压转换为电容变化。MEMS芯片的截面图如图2所示。在英飞凌的设计中，硅膜的典型直径为900μm左右。在该设计中，弹性硅膜的面积在总的芯片表面中是昀大的。因此，优化了特定芯片尺寸上的信噪比。ASIC芯片用于检测MEMS电容变化，并将其转换为电信号，传递给相关处理器件，如基带处理器或放大器等。ASIC芯片是标准的IC技术。因此，这种双芯片式方法能够快速向ASIC增添额外功能。这种功能既可以是额外构件，如音频信号处理、RF屏蔽，也可以是任何可以集成在标准IC上的功能。MEMS麦克风外型小巧，功能强大，并且可进行回流焊接，而不会降低灵敏度今天我们使用的大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风(ECM)，这种技术已经有几十年的历史。ECM的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜。与ECM的聚合材料振动膜相比，MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，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，而灵敏度不会有任何变化。图2.:MEMS芯片的截面图。电容由一个弹性硅膜和一个刚性穿孔背电极构成。输入的声波致使硅膜产生偏离，从而使电容器的电容发生变化。MEMS麦克风需要ASIC提供外部偏置。而ECM则不需要这种偏置。有效的偏置将使整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数。传统ECM的尺寸通常比MEMS麦克风大，并且不能进行SMT操作。SMT回流焊简化了制造流程，可以省略一个制造步骤，而该步骤现在通常以手工方式进行。这种麦克风现在是标准的SMT元器件，像其它SMT元器件一样，它不需要进行特殊处理。这种辅助功能的优点可以集成到ASIC上。与标准ECM相比，这种额辅助功能的优点是使麦克风具有额外的ESD保护功能和很高的电源抑制比。也就是说，如果电源电压有波动，则会以音频输出的方式被有效抑制。麦克风ASIC的芯片设计使得其功耗非常低，只有标准ECM的1/3（在1.5V～3.3V的电源电压下，英飞凌的SMM310的电流消耗为～80μA，如表1中的SMM310的技术规范）。另一个优点是集成在IC上的宽带RF（射频）抑制性能。SMM310有一个金属盖，可以对射频进行屏蔽。集成在ASIC上的宽带抑制性能不仅包括特定频段，而且包括所有UMTS和GSM频段区域。MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm的小型薄膜其重量同样轻巧。这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB图3:反向贴装在应用PCB背面的麦克风，从左至右：带有两枚芯片的麦克风的俯视图、仰视图以及展开图、MEMS（圆形硅膜）以及ASIC（黑点）以及声音入口。28CompoTechChina/2008.03Feature每月特辑噪声产生更低的振动耦合。这为特殊的弹簧安装的外壳节省成本。MEMS麦克风允许在应用PCB的另一面进行反面贴装MEMS麦克风的另一个优点是可以将其安装在PCB的反面。如图3所示的反面安装麦克风的实例。MEMS麦克风可以安装在PCB上的一个孔后面。通过这种方法，PCB上方的元器件就不再需要了。应用PCB可以直接接触到消费设备的外壳，使设计变得更加灵巧。MEMS麦克风的低射频失真、高可靠性可简化设计考虑到silicon麦克风的众多优势和系统成本，硅基麦克风对那些对尺寸、耐热性、振动和RF都有很高要求的中高端应用，将具有很大的吸引力，例如图4所示的应用实例。尺寸不仅指麦克风器件的占位空间，还指那些能够通过ASIC更高程度集成可省去的分立器件的尺寸。通过在PCB的反面进行安装还可以得到更大的设计自由度。组装工艺前后敏感性的小幅增强不仅节约制了制造中的音频调节成本，而且还使得在剩余的音频路径中的元器件成本更低，同时使系统敏感性不断增强。图4:外加30pF电容进行共模抑制的手机应用示例更好的射频抑制对于手机而言正变得日益重要：要将SAR（特定吸收率）的值减至昀小，通常将手机的天线放在手机的较低的一端，也就是麦克风所在的位置。在这些设计中，麦克风和天线之间的距离很小，在麦克风所在的位置，射频辐射水平大大增加。与聚合体内部充电的工作原理及随着工作条件恶化而性能降低的特性比较，MEMS麦克风因为有外部偏置，具有稳定的质量，可靠性及耐久性。在恶劣环境中也可以保证这一极其稳定的性能。应用实例包括在空调房间操作一会儿，然后在外面的炎热潮湿的环境中操作。具有上述要求的应用包括：中高端移动电话、数码相机、个人数字助手(PDA)或游戏控制台等。辅助功能和最佳性能现在正在逐步实现通过给麦克风配备数字接口，音频信号就不会因为RF噪声的干扰而失真。这对手机和笔记本计算机而言都是一个优势。对于辅助功能，需要数字接口，声音处理或对IC的功能进行过滤。这一双芯片解决方案技术已经被ASIC采用。可以放在ASIC上的任何额外功能都可以轻松集成到麦克风上。在驻极体中，必须添加IC，而在MEMS麦克风中，只需在IC上添加额外的专用功能即可。对于笔记本计算机而言，硅基麦克风还有另一个优点。在IP语音日渐风行的推动下，笔记本计算机可以当作电292008.03/电子与电脑Feature每月特辑话来使用。采用麦克风数组软件，可以对笔记本计算机附近或整个空间（如会议室）的方向敏感性进行调节。但要计算来自一个数组中不同麦克风的延迟信号的声音方向，则需要具有非常稳定性能的麦克风，如MEMS麦克风。除消费应用和数据处理应用领域外，对工业、医疗及汽车行业也是首选方案。从机器监视、助听器到车载免提装置等应用都有可能用到MEMS麦克风。中高端应用的系统成本大致相同。系统成本开始趋近，而元器件成本的降低才刚刚开始虽然MEMS的元器件成本比ECM高，中高端应用的系统成本大致相同。但是siliconMEMS麦克风还有很大的发展潜力。与其它半导体领域的成本降低（在从开始设计到大批量生产的过程中实现）相比，预计在未来几年，成本将会有大幅降低。英飞凌推出MEMS麦克风英飞凌在2006年底推出新产品系列——siliconMEMS（微机电系统）麦克风。该产品系列中的第一款产品是SMM310——SMT模拟输出单端麦克风。它于2007年中开始量产。现在，英飞凌正在扩大其产品系列。半导体制造商具备制造该产品系列的核心能力。首先是MEMS设计和制造能力，其次是ASIC设计和制造能力。昀后是大容量低成本封装能力。迄今为止，声频公司一直占据着几乎整个MEMS麦克风市场。声频公司必须依赖半导体代工厂提供相关技术并与他们分享利润。现在，英飞凌的进入意味着该市场拥有了新的选择，并且降低了组件购买者的风险。未来的MEMS麦克风可能具有改进的音响效果、辅助功能以及进一步减少的尺寸SMM310是英飞凌新型产品线的第一款产品。英飞凌正在三个方面实现创新：尺寸减小、额外功能和接口以及音响效果的增强。尺寸将会进一步缩小，将会受到制造过程中标准自动化贴装工具的限制。其实限制主要来自MEMS本身。如图1所示，MEMS的尺寸不到当今普通麦克风的一半。ASIC中将集成更多功能，A/D转换和数字输出是第一步。此外，还可利用标准构件，如风噪信号过滤构件。专用接口和信号预处理也将成为一个很大的应用领域。在音频方面，也会有很多变化。SMM310针对人声进行了优化，其它产品会面向其它应用进行优化，如数码摄像机——大多数手机都开始变成数码摄像机。很难预测何时会出现带有集成式麦克风并能记录美妙立体声的单芯片录像电话，但是，毫无疑问我们正在朝着这个方向发展。表1:新型SMM310硅基MEMS麦克风的特性参数作者介绍：RolandHelm博士拥有德国慕尼黑理工大学物理学博士学位。他于2003年加入英飞凌科技股份公司企业战略部。在这之前，他曾担任过一家新兴公司的专业服务部负责人以及一家咨询公司的经理。自2006年以来，他开始负责硅基麦克风项目。