中心議題：

• 電容式微麥克風原理
• CMOS微機電麥克風電路設計
• CMOS微機電麥克風工藝分類

解決方案：

• 采用從CMOS的操作電壓中抽取一個偏置電壓
• 再加上一個∑-Δ ADC模數轉換電路

suizhezhinengshoujidexingqi
，duiyushengyinpinzhiheqingboduanxiaodexuqiuyuelaiyueshoudaodajiadezhongshi，jinnianlaiguangfanyingyongdezaoshengyizhijihuishengxiaochujishujunshiweiletigaoshengyindepinzhi。xiangbiyuchuantongdezhujitishimaikefeng（ECM），電容式微機電麥克風采用矽半導體材料製作，這便於集成模擬放大電路及ADC（∑-Δ ADC）電路，實現模擬或數字微機電麥克風元件，以及製造微型化元件
，非常適合應用於輕薄短小的便攜式裝置。本文針對CMOS微機電麥克風的設計與製造進行介紹，並比較純MEMS與CMOS工藝微導入麥克風的差異。

電容式微麥克風原理

MEMS微(wei)麥(mai)克(ke)風(feng)是(shi)一(yi)種(zhong)微(wei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。其(qi)原(yuan)理(li)是(shi)利(li)用(yong)聲(sheng)音(yin)變(bian)化(hua)產(chan)生(sheng)的(de)壓(ya)力(li)梯(ti)度(du)使(shi)電(dian)容(rong)式(shi)微(wei)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)聲(sheng)學(xue)振(zhen)膜(mo)受(shou)聲(sheng)壓(ya)幹(gan)擾(rao)而(er)產(chan)生(sheng)形(xing)變(bian)
，進(jin)而(er)改(gai)變(bian)聲(sheng)學(xue)振(zhen)膜(mo)與(yu)矽(gui)背(bei)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi)。該(gai)電(dian)容(rong)值(zhi)的(de)變(bian)化(hua)由(you)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)壓(ya)值(zhi)的(de)輸(shu)出(chu)變(bian)化(hua)，再(zai)經(jing)過(guo)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)將(jiang)MEMS傳感器產生得到電壓放大輸出
，從而將聲壓信號轉化成電壓信號。在此必須采用一個高阻抗的電阻為MEMS傳感器提供一個偏置電壓VPP
，借以在MEMS傳感器上產生固定電荷，最後的輸出電壓將與VPP 及振膜的形變Δd成正比。振膜的形變與其剛性有關，剛性越低則形變越大；另一方麵，輸出電壓與d（氣隙）成反比
，因此氣隙越低，則輸出電壓及靈敏度越優，但這都將受限於MEMS傳感器的吸合電壓，也就是受限於MEMS傳感器靜電場的最大極限值。

CMOS微機電麥克風電路設計

在CMOS微麥克風設計中，電路是一個非常重要的環節，它將影響到微麥克風的操作
、感(gan)測(ce)，以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)。駐(zhu)極(ji)式(shi)電(dian)容(rong)微(wei)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)荷(he)由(you)駐(zhu)極(ji)體(ti)材(cai)料(liao)本(ben)身(shen)提(ti)供(gong)的(de)駐(zhu)極(ji)電(dian)荷(he)所(suo)產(chan)生(sheng)，而(er)凝(ning)縮(suo)式(shi)電(dian)容(rong)微(wei)麥(mai)克(ke)風(feng)則(ze)是(shi)采(cai)用(yong)從(cong)CMOS的de操cao作zuo電dian壓ya中zhong抽chou取qu一yi個ge偏pian置zhi電dian壓ya，再zai通tong過guo一yi個ge高gao阻zu抗kang電dian阻zu提ti供gong給gei微wei麥mai克ke風feng的de聲sheng學xue振zhen膜mo來lai提ti供gong固gu定ding的de電dian荷he源yuan。此ci時shi，若ruo聲sheng學xue振zhen膜mo受shou到dao聲sheng壓ya驅qu動dong而er產chan生sheng位wei移yi變bian化hua
，則ze電dian極ji板ban（感測端）的電壓將會發生變化。最後，通過電路放大器將信號放大，則可實現模擬麥克風的電路設計；如果再加上一個∑-Δ ADC模數轉換電路，便可完成數字麥克風的電路設計（一般數字麥克風的輸出信號為1比特PDM輸出）。

CMOS微機電麥克風工藝分類

從微機電麥克風的製造來看，就目前的技術層麵而言，集成CMOS電路的MEMS元件可分為三種。Pre-CMOS MEMS工藝：先製作MEMS結構，再製作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS工藝：CMOS與MEMS元件工藝混合製造；Post-CMOS MEMS工藝：先實現CMOS元件，再進行MEMS結構製造。一般而言，前兩種方法無法在傳統的晶圓廠進行
，而Post-CMOS MEMS則可以在半導體晶圓代工廠進行生產。

下圖簡述了Post-CMOS MEMS的製造方式。在Post-CMOS MEMS工藝中需特別注意
，不能讓額外的熱處理或高溫工藝影響到CMOS組件的物理特性及MEMS的應力狀態，以免影響到振膜的初始應力。鑫創科技公司克服了諸多的技術難題，完全采用標準的CMOS工藝來同時製造電路元件及微機電麥克風結構。在CMOS部分完成後，將芯片的背麵研磨至適當厚度以符合封裝要求。最後
，利用氫氟酸溶液（HF）去(qu)除(chu)犧(xi)牲(sheng)氧(yang)化(hua)物(wu)來(lai)釋(shi)放(fang)懸(xuan)浮(fu)結(jie)構(gou)。此(ci)外(wai)
，在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)還(hai)需(xu)考(kao)慮(lv)可(ke)完(wan)全(quan)去(qu)除(chu)犧(xi)牲(sheng)材(cai)料(liao)而(er)又(you)不(bu)損(sun)害(hai)麥(mai)克(ke)風(feng)振(zhen)膜(mo)的(de)蝕(shi)刻(ke)方(fang)法(fa)，並(bing)應(ying)避(bi)免(mian)麥(mai)克(ke)風(feng)振(zhen)膜(mo)與(yu)背(bei)電(dian)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)產(chan)生(sheng)粘(zhan)黏(nian)現(xian)象(xiang)。
 

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粘黏現象：由於麥克風振膜與背電極板之間的距離僅為數微米，在該尺寸下，當表麵張力、範德華力
、靜電力、離li子zi鍵jian等deng作zuo用yong力li大da於yu麥mai克ke風feng振zhen膜mo的de回hui複fu力li時shi
，麥mai克ke風feng振zhen膜mo將jiang產chan生sheng永yong久jiu形xing變bian而er附fu著zhe於yu背bei電dian極ji板ban上shang
，從cong而er無wu法fa產chan生sheng振zhen動dong。通tong常chang，微wei機ji電dian懸xuan浮fu結jie構gou粘zhan黏nian現xian象xiang的de主zhu要yao成cheng因yin可ke以yi分fen為wei兩liang類lei：第(di)一(yi)類(lei)發(fa)生(sheng)在(zai)麥(mai)克(ke)風(feng)振(zhen)膜(mo)釋(shi)放(fang)後(hou)，麥(mai)克(ke)風(feng)振(zhen)膜(mo)受(shou)到(dao)表(biao)麵(mian)張(zhang)力(li)影(ying)響(xiang)，因(yin)而(er)被(bei)拉(la)近(jin)到(dao)與(yu)背(bei)電(dian)極(ji)板(ban)的(de)距(ju)離(li)非(fei)常(chang)靠(kao)近(jin)，若(ruo)此(ci)時(shi)範(fan)德(de)華(hua)力(li)或(huo)氫(qing)鍵(jian)力(li)等(deng)表(biao)麵(mian)力(li)大(da)於(yu)麥(mai)克(ke)風(feng)振(zhen)膜(mo)的(de)回(hui)複(fu)力(li)，則(ze)結(jie)構(gou)將(jiang)產(chan)生(sheng)粘(zhan)黏(nian)現(xian)象(xiang)而(er)無(wu)法(fa)回(hui)複(fu)；第di二er類lei是shi懸xuan浮fu結jie構gou在zai使shi用yong中zhong受shou到dao外wai力li衝chong擊ji或huo是shi靜jing電dian力li吸xi引yin而er落luo入ru表biao麵mian力li較jiao回hui複fu力li大da的de區qu域yu

，則ze也ye會hui發fa生sheng粘zhan黏nian現xian象xiang。因yin此ci
，在zai結jie構gou設she計ji上shang
，必bi須xu特te別bie考kao慮lv麥mai克ke風feng振zhen膜mo在zai釋shi放fang後hou的de結jie構gou變bian形xing問wen題ti，並bing在zai重zhong要yao的de結jie構gou部bu位wei予yu以yi強qiang化hua

，利li用yong特te殊shu設she計ji來lai減jian少shao粘zhan黏nian現xian象xiang的de發fa生sheng。

純MEMS與CMOS工藝的差異

多數企業所開發的MEMS微麥克風主要分為兩種形態：第一種是利用專業的MEMS代工廠製造出MEMS IC
，再加上一個ASIC放大器
，將MEMS IC及ASIC IC用SIP封裝方式封裝成MEMS麥克風芯片。這一部分在IC封裝過程中必須保護振膜不被破壞
，其封裝成本相對較高；另一種是先利用CMOS晶圓廠製造出ASIC部分，再利用後工藝來形成MEMS的結構部分。其MEMS工藝技術目前似乎還無法在標準的CMOS晶圓廠完成，這主要是由於振膜需沉積高分子聚合物材料
，而高分子聚合物材料還未用於目前的標準半導體IC工藝。另外，在CMOS工藝完成後，需分別在芯片的正麵蝕刻出振膜並在其背麵蝕刻出腔體及聲學孔。該步驟通過載體晶圓（Carrier Wafer）來完成，在標準的CMOS鑄造廠目前尚未創建出這樣的環境。

目前
，最大的課題是如何突破這兩種形態MEMS麥克風的封裝技術。其專利均由美國的微麥克風企業所掌控，因此，MEMS麥克風市場占有率主要分布在少數企業手上。

有廠家采取的方式是在CMOS工藝完成後
，從芯片的背麵形成腔體和聲學孔作為MEMS結構的釋放。這一部分無需使用特殊的機器和材料，可在現有的CMOS晶圓廠內完成
，因而能夠降低開發成本。另外，有些產品可直接利用晶圓級封裝技術將CMOS電路與微麥克風集成在同一塊芯片上，同樣可避免在封裝過程中對振膜產生破壞。

MEMS麥克風目前已經取代ECM麥克風被廣泛應用於手機中（尤其是智能手機）
，其主要原因是MEMS麥克風具有耐候性佳、尺寸小及易於數字化的優點。MEMS麥mai克ke風feng采cai用yong半ban導dao體ti材cai質zhi

，特te性xing穩wen定ding，不bu會hui受shou到dao環huan境jing溫wen濕shi度du的de影ying響xiang而er發fa生sheng改gai變bian，因yin而er可ke以yi維wei持chi穩wen定ding的de音yin質zhi。電dian子zi產chan品pin組zu裝zhuang在zai過guo錫xi爐lu時shi的de溫wen度du高gao達da 260℃，常會破壞ECM麥克風的振膜而必須返工
，這將增加額外的成本。采用MEMS麥克風則不會因為錫爐的高溫而影響到材質，適合於SMT的自動組裝。麥克風信號在數字化後，可以對其進行去噪、聲(sheng)音(yin)集(ji)束(shu)及(ji)回(hui)聲(sheng)消(xiao)除(chu)等(deng)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)優(you)異(yi)的(de)通(tong)話(hua)品(pin)質(zhi)。目(mu)前(qian)已(yi)有(you)多(duo)款(kuan)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)化(hua)技(ji)術(shu)，在(zai)功(gong)能(neng)手(shou)機(ji)中(zhong)也(ye)有(you)加(jia)速(su)采(cai)用(yong)的(de)跡(ji)象(xiang)。此(ci)外(wai)，筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)也(ye)是(shi)目(mu)前(qian)使(shi)用(yong)MEMS麥克風的主流，而機頂盒生產企業同樣在積極嚐試將MEMS麥克風應用於開發聲控型機頂盒。