中心議題：

• 麥克風技術從ECM到矽晶技術的演變
• 麥克風設計減少噪聲的挑戰

解決方案：

• 縮小ECM結構尺寸
• 采用額外的機械隔離材料
• 減小機械互連

傳統駐極體電容器麥克風(ECM)作為一種機電元件一直以來都用於數以十億計的手機、筆記本電腦等便攜式電子設備中。不過，過去50年間，ECMshizhongmeiyoushenmegenbenxingbianhua，erqie，youyucunzaidaliangdejixiehehuanjingzaoshengwenti，tazaixinxingbianxieshishebeizhongdegongnengxingshoudaoxianzhi，chengweiyinpinxitongshejirenyuan

、機械設計人員以及製造商的關鍵“痛點”。

本文將描述設計人員和製造商如何能夠利用基於CMOS(互補金屬氧化物半導體)MEMS(微機電係統)技術的下一代麥克風來克服ECM的眾多相關問題。

麥克風技術的演變：從ECM到矽晶技術

傳統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晶體管(FET)構(gou)成(cheng)。聲(sheng)波(bo)使(shi)振(zhen)膜(mo)彎(wan)曲(qu)，改(gai)變(bian)振(zhen)膜(mo)和(he)背(bei)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)氣(qi)隙(xi)間(jian)距(ju)
，從(cong)而(er)使(shi)振(zhen)膜(mo)和(he)背(bei)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)容(rong)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)，這(zhe)種(zhong)改(gai)變(bian)以(yi)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)的(de)形(xing)式(shi)輸(shu)出(chu)

，可(ke)反(fan)映(ying)出(chu)進(jin)入(ru)聲(sheng)波(bo)的(de)頻(pin)率(lv)和(he)幅(fu)度(du)。

需注意，ECM的振膜與FET的柵極相連接

，ECM的輸出通過一個串聯電容被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)，有助於過濾掉可能使模數轉換器(ADC)進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，設計人員通常通過從ECM附fu近jin的de未wei用yong前qian置zhi放fang大da器qi輸shu入ru各ge產chan生sheng一yi路lu線xian跡ji，並bing使shi兩liang路lu線xian跡ji保bao持chi平ping衡heng，再zai使shi用yong一yi個ge差cha分fen輸shu入ru放fang大da器qi，消xiao除chu了le兩liang路lu線xian跡ji中zhong的de共gong模mo板ban級ji噪zao聲sheng源yuan。

麥克風設計的挑戰：減少噪聲

頻係統設計人員的主要挑戰是在係統設計中使總體噪聲最低。ECM的噪聲由若幹來源決定：偏置電壓波動引起的電子噪聲
，FET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。

當安置有ECM的係統靠近帶有功率控製的射頻發射器時，功率控製產生的RF信號的音頻成份可通過麥克風解調，轉換為可聞於音頻路徑的聲音信號。低功率的便攜式設備一般使用功率門限(powergating)技術，不在使用中時就關斷RF。這種門限在音頻下出現。

在ECM中，由FET的高阻抗柵極來調校發射功率放大器的門限(在音頻頻段內出現)，並放大信號。一旦信號進入音頻頻段
，就很難消除。當音頻信號產生可聽見的幹擾(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，並用一個電容來濾除手機、筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無線係統中出現的RF幹擾。這一電容應該加在FET的de漏lou極ji上shang

，並bing最zui好hao位wei於yu麥mai克ke風feng罐guan內nei部bu。該gai電dian容rong容rong值zhi根gen據ju幹gan擾rao場chang的de載zai波bo頻pin率lv和he電dian容rong的de最zui佳jia衰shuai減jian頻pin率lv來lai選xuan擇ze。電dian容rong的de衰shuai減jian頻pin率lv可ke從cong製zhi造zao商shang提ti供gong的de規gui格ge手shou冊ce中zhong查zha到dao。

音頻係統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，輸出10mVrms數量級的很小的模擬信號。由於ECM沒有任何電源抑製(PSR)能(neng)力(li)
，電(dian)源(yuan)很(hen)小(xiao)的(de)波(bo)動(dong)就(jiu)能(neng)引(yin)起(qi)用(yong)戶(hu)能(neng)聽(ting)到(dao)小(xiao)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)波(bo)動(dong)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)維(wei)持(chi)最(zui)佳(jia)信(xin)噪(zao)比(bi)
，應(ying)該(gai)采(cai)用(yong)額(e)外(wai)的(de)濾(lv)波(bo)元(yuan)件(jian)來(lai)保(bao)持(chi)麥(mai)克(ke)風(feng)偏(pian)置(zhi)電(dian)源(yuan)的(de)“幹淨”。

在音頻係統中使用ECM還帶來了許多機械設計和製造方麵的挑戰。首先也是最重要的，雖然ECM一直在不斷縮小，但它已達到其尺寸極限，再進一步變小，就得付出敏感性、頻率響應及噪聲等性能降低的代價。目前
，便攜式電子設備中所用ECM的標準尺寸範圍為直徑4～6mm
，高度1.0～2.0mm。

另一項挑戰是ECM不僅能夠檢測聲音信號，還能檢測出機械振動，並最終把振動轉換為低頻聲音信號。當ECM被bei置zhi於yu振zhen動dong環huan境jing時shi，比bi如ru安an裝zhuang在zai電dian風feng扇shan或huo大da型xing喇la叭ba附fu近jin的de電dian路lu板ban上shang，音yin頻pin係xi統tong的de主zhu要yao噪zao聲sheng源yuan將jiang是shi振zhen動dong。減jian少shao麥mai克ke風feng處chu振zhen動dong的de唯wei一yi方fang法fa是shi
，在zai把ba麥mai克ke風feng安an裝zhuang在zai電dian路lu板ban上shang時shi，采cai用yong額e外wai的de機ji械xie隔ge離li材cai料liao。
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此外，不論是製作ECM振膜和背板的材料，還是ECM的永久振膜充電，在表麵安裝必需的高溫下，性能都會顯著下降。因此，在麥克風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備的纖薄外形相比)。最後，因為ECM不能進行表麵安裝，而需手工組裝，故與能夠采用自動分撿(pickandplace)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CMOSMEMS的最新型MEMS技(ji)術(shu)開(kai)發(fa)新(xin)一(yi)代(dai)的(de)單(dan)芯(xin)片(pian)矽(gui)晶(jing)麥(mai)克(ke)風(feng)。不(bu)同(tong)於(yu)其(qi)它(ta)矽(gui)晶(jing)麥(mai)克(ke)風(feng)需(xu)要(yao)至(zhi)少(shao)兩(liang)塊(kuai)矽(gui)芯(xin)片(pian)
，一(yi)塊(kuai)用(yong)作(zuo)矽(gui)晶(jing)麥(mai)克(ke)風(feng)換(huan)能(neng)器(qi)單(dan)元(yuan)，另(ling)一(yi)塊(kuai)用(yong)作(zuo)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)(IC),CMOSMEMS麥克風是單塊式集成電路，其中MEMS換能器單元由標準CMOS晶圓中的金屬介電質結構形成。由於CMOSMEMS麥克風是采用業界標準CMOS工藝和目前用來製造集成電路的設備製作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠生產。CMOSMEMS器件的製造已在九家不同的晶圓廠，經從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技術得到驗證。結果證明這項技術具有半導體製造的高良率和可重複性，能夠以極高批量大規模生產。

在CMOSMEMS平台上開發的單塊集成電路矽晶麥克風解決方案使消費電子設備設計人員和製造商得以避免眾多ECM相關問題。下圖是一個單芯片矽晶麥克風的俯視圖和橫截麵圖。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。


CMOSMEMS麥克風芯片的俯視圖(a)和橫截麵圖(b)。

鑒於CMOSMEMS麥克風更類似於模擬IC而非ECM，它也采用類似於IC的供電分式，直接連接到電源。電源輸入和係統其餘部分之間的片上隔離為元件增加了PSR

，使CMOSMEMS麥克風本質上比ECM具有更強的抗電源噪聲能力，並不再需要額外的濾波線路來保持電源線的“幹淨”。

當在微米級的聲學結構內製作電子線路時，線跡長度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。不同於ECM中的FET，在CMOSMEMS麥(mai)克(ke)風(feng)中(zhong)
，由(you)於(yu)是(shi)片(pian)上(shang)放(fang)大(da)級(ji)
，隔(ge)膜(mo)和(he)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)間(jian)距(ju)極(ji)短(duan)
，輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)隔(ge)離(li)更(geng)好(hao)。因(yin)為(wei)有(you)電(dian)源(yuan)和(he)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)更(geng)好(hao)
，加(jia)上(shang)隔(ge)膜(mo)到(dao)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)距(ju)離(li)更(geng)短(duan)，幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)可(ke)能(neng)會(hui)把(ba)電(dian)磁(ci)場(chang)耦(ou)合(he)到(dao)麥(mai)克(ke)風(feng)裏(li)。

CMOSMEMS麥克風還解決了使用ECM所遇到的許多機械設計和製造方麵的挑戰。首先
，CMOSMEMS麥克風單塊集成電路的特性使其占位麵積和高度比傳統ECM尺寸的一半還要小。其次，CMOSMEMS麥克風振膜的尺寸和質量都很小，較之直徑4-6mm的ECM振膜，其直徑小於0.5mm
，提高了抗振動性。第三，由於CMOSMEMS麥克風是采用標準CMOScailiaohegongyizhizuode，tamenbenzhishangjiunenggounaishoubiaomiananzhuangshisuoxudegaowenhuanjing。wuxujixiehulianyoushizhezhongmaikefengxitongdezongtigaoduxianzhujiangdi。zuihou，CMOS矽晶麥克風具有表麵安裝和分撿兼容性，不再需要進行手工組裝


，故而降低了成本，並提高了可靠性、生產能力和良率。

CMOSMEMS麥mai克ke風feng還hai能neng夠gou在zai芯xin片pian上shang集ji成cheng一yi個ge模mo數shu轉zhuan換huan器qi，形xing成cheng一yi個ge具ju有you強qiang健jian數shu字zi輸shu出chu的de麥mai克ke風feng。由you於yu大da多duo數shu便bian攜xie式shi應ying用yong最zui終zhong都dou會hui把ba麥mai克ke風feng的de模mo擬ni輸shu出chu轉zhuan換huan為wei數shu字zi信xin號hao來lai處chu理li
，因yin此ci係xi統tong架jia構gou可ke以yi設she計ji成cheng完wan全quan數shu字zi式shi的de，這zhe樣yang一yi來lai，就jiu從cong電dian路lu板ban上shang去qu掉diao了le很hen容rong易yi產chan生sheng噪zao聲sheng的de模mo擬ni信xin號hao
，並bing簡jian化hua了le總zong體ti設she計ji。

使用數字CMOSMEMS麥克風的優點在麥克風和CODEC之間需要很長電纜的應用中最為顯著，比如筆記本電腦平台
，為達最佳聲效，一般麥克風被安裝在顯示器中，而CODEC則ze安an裝zhuang在zai電dian腦nao主zhu體ti的de母mu板ban上shang。在zai這zhe種zhong情qing形xing下xia，有you許xu多duo電dian纜lan線xian和he電dian子zi噪zao聲sheng源yuan會hui對dui筆bi記ji本ben電dian腦nao顯xian示shi器qi周zhou圍wei的de小xiao模mo擬ni聲sheng音yin信xin號hao產chan生sheng幹gan擾rao

，故gu需xu要yao屏ping蔽bi布bu線xian(shieldedcabling)和其它過濾元件來將幹擾減至最小。然而
，若使用數字CMOSMEMS麥克風，則無需屏蔽布線或過濾元件

，簡化了設計
，減少了總體元件數目，降低了材料清單(BOM)成本。

在為當前的下一代便攜式電子設備設計音頻係統時，CMOSMEMS麥克風能夠解決使用ECM所無法解決的許多困難。利用Akustica公司的專利CMOSMEMS技術
，可以把振膜與強有力的模數信號處理功能集成在單塊芯片中，從而實現可用於未來的便攜式電子設備的下一代麥克風。CMOSMEMS麥克風提供的這種設計簡單性和生產效率將使手機
、PC機、PDA和無數其它消費電子產品的設計人員及製造商能夠製造出更強勁、功能更豐富、成本更低的產品，更好地為市場服務。