中心論題：
- MEMS麥克風(fēng)的工作原理 。
- MEMS麥克風(fēng)的性能特點(diǎn) 。
- MEMS麥克風(fēng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 。
- MEMS麥克風(fēng)的技術(shù)展望 。
- 雙芯片式方法快速向ASIC增添額外功能。
- MEMS麥克風(fēng)在不同溫度下都保持性能的穩(wěn)定節(jié)省制造過(guò)程中的音頻調(diào)試成本。
- 外部偏置支持設(shè)計(jì)具有不同敏感性的麥克風(fēng)。
- 集成在IC上的寬帶射頻抑制性能實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻進(jìn)行屏蔽。
MEMS(微型機(jī)電系統(tǒng))麥克風(fēng)外形較小，與目前廣泛采用的駐極體麥克風(fēng)相比，具備更強(qiáng)的耐熱、抗振和防射頻干擾性能。由于強(qiáng)大的耐熱性能，MEMS麥克風(fēng)采用全自動(dòng)表面貼裝(SMT)生產(chǎn)工藝，而大多數(shù)駐極體麥克風(fēng)則需手工焊接。這不僅能簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，而且能夠提供更高的設(shè)計(jì)自由度和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。
想象一下不到普通麥克風(fēng)一半大小并帶有集成音頻信號(hào)處理功能，MEMS麥克風(fēng)可以作為單芯片手機(jī)一個(gè)集成部分。新型MEMS麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘，但是第一批采用這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應(yīng)用中體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)，特別是中高端移動(dòng)電話。
工作原理
英飛凌麥克風(fēng)SMM310內(nèi)含兩塊芯片：MEMS芯片和ASIC芯片。兩顆芯片被封裝在一個(gè)表面貼裝器件中。MEMS芯片包括一個(gè)剛性穿孔背電極和一片彈性硅膜。MEMS芯片的用作電容，將聲壓轉(zhuǎn)換為電容變化。ASIC芯片用于檢測(cè)MEMS電容變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳遞給相關(guān)處理器件，如基帶處理器或放大器等。ASIC 芯片是標(biāo)準(zhǔn)的IC技術(shù)。因此，這種雙芯片式方法能夠快速向ASIC增添額外功能。這種功能既可以是額外構(gòu)件，如音頻信號(hào)處理、RF屏蔽，也可以是任何可以集成在標(biāo)準(zhǔn)IC上的功能。
性能特點(diǎn)
今天我們使用的大多數(shù)麥克風(fēng)都是駐極體電容器麥克風(fēng)(ECM)，這種技術(shù)已經(jīng)有幾十年的歷史。ECM 的工作原理是利用具有永久電荷隔離的聚合材料振動(dòng)膜。
與ECM的聚合材料振動(dòng)膜相比，MEMS麥克風(fēng)在不同溫度下的性能都十分穩(wěn)定，不會(huì)受溫度、振動(dòng)、濕度和時(shí)間的影響。由于耐熱性強(qiáng)，MEMS麥克風(fēng)可承受260℃的高溫回流焊，而性能不會(huì)有任何變化。由于組裝前后敏感性變化很小，這甚至可以節(jié)省制造過(guò)程中的音頻調(diào)試成本。
MEMS麥克風(fēng)需要 ASIC提供外部偏置，而ECM則不需要這種偏置。有效的偏置將使整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)都可保持穩(wěn)定的聲學(xué)和電氣參數(shù)。MEMS芯片的外部偏置還支持設(shè)計(jì)具有不同敏感性的麥克風(fēng)。
傳統(tǒng)ECM的尺寸通常比MEMS麥克風(fēng)大，并且不能進(jìn)行SMT操作。SMT回流焊簡(jiǎn)化了制造流程，可以省略一個(gè)制造步驟，而該步驟現(xiàn)在通常以手工方式進(jìn)行。
IC與駐極體電容器麥克風(fēng)內(nèi)信號(hào)處理電子元件并無(wú)差別，但這是一種已經(jīng)投入使用的技術(shù)。在駐極體中，必須添加IC，而在MEMS麥克風(fēng)中，只需在IC上添加額外的專用功能即可。與ECM相比，這種額外功能的優(yōu)點(diǎn)是使麥克風(fēng)具有很高的電源抑制比。也就是說(shuō)，如果電源電壓有波動(dòng)，則會(huì)被有效抑制。
SMM310的智能ASIC設(shè)計(jì)使得其功耗非常低，只有標(biāo)準(zhǔn)ECM的三分之一(在1.5-3.3 V的電源電壓下，SMM310的電流消耗為~70 µA，如表1所示)。
表1：新型SMM310硅基MEMS麥克風(fēng)的特性參數(shù)。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是集成在IC上的寬帶射頻抑制性能，這一點(diǎn)不僅對(duì)移動(dòng)電話這樣的射頻應(yīng)用尤其重要，而且對(duì)所有與移動(dòng)電話工作原理類似的設(shè)備(如助聽(tīng)器)都非常重要。SMM310有一個(gè)金屬蓋，可以對(duì)射頻進(jìn)行屏蔽。
MEMS麥克風(fēng)的小型振動(dòng)膜還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，直徑不到1mm的小型薄膜其重量同樣輕巧，這意味著，與ECM相比，MEMS麥克風(fēng)會(huì)對(duì)由安裝在同一PCB上的揚(yáng)聲器引起的PCB 噪聲產(chǎn)生更低的振動(dòng)耦合。
廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域
考慮到硅基麥克風(fēng)的眾多優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)成本，硅基麥克風(fēng)對(duì)那些對(duì)尺寸、耐熱性、振動(dòng)和RF都有很高要求的中高端應(yīng)用，將具有很大的吸引力，例如圖1所示的應(yīng)用實(shí)例。
圖1：帶有額外30pF 電容進(jìn)行共模抑制的移動(dòng)電話應(yīng)用示例
尺寸不僅指麥克風(fēng)器件的占位空間，還指那些能夠通過(guò)ASIC更高程度集成可省去的分立器件的尺寸。具有上述要求的應(yīng)用包括：中高端移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、PDA或游戲控制臺(tái)等。
A/D 轉(zhuǎn)換器可以很容易地集成在ASIC中。通過(guò)給麥克風(fēng)配備數(shù)字接口，音頻信號(hào)就不會(huì)因?yàn)镽F 噪聲的干擾而失真。這對(duì)移動(dòng)電話和筆記本電腦而言都是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于筆記本電腦而言，硅基麥克風(fēng)還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在VoIP日漸風(fēng)行的情況下，筆記本電腦可以當(dāng)作電話來(lái)使用。采用麥克風(fēng)陣列軟件，可以對(duì)筆記本電腦附近或整個(gè)空間(如會(huì)議室)的方向敏感性進(jìn)行調(diào)節(jié)。但要計(jì)算來(lái)自一個(gè)陣列中不同麥克風(fēng)的延遲信號(hào)的聲音方向，則需要具有非常穩(wěn)定性能的麥克風(fēng)，如MEMS麥克風(fēng)。
除消費(fèi)應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用領(lǐng)域外，MEMS麥克風(fēng)對(duì)工業(yè)、醫(yī)療及汽車(chē)行業(yè)也有很大的吸引力，從機(jī)器監(jiān)視、助聽(tīng)器到車(chē)載免提裝置等應(yīng)用都有可能用到MEMS麥克風(fēng)。中高端應(yīng)用的系統(tǒng)成本大致相同。但是，MEMS麥克風(fēng)還有很大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在也許就是了解這種全新技術(shù)的大好時(shí)機(jī)，以便將來(lái)從中受益。
技術(shù)展望
英飛凌推出新產(chǎn)品系列?硅基MEMS麥克風(fēng)，該產(chǎn)品系列中的第一款產(chǎn)品是SMM310?SMT模擬輸出單端麥克風(fēng)。半導(dǎo)體制造商具備制造該產(chǎn)品系列的核心能力。首先是MEMS設(shè)計(jì)和制造能力，其次是ASIC(專用集成電路)設(shè)計(jì)和制造能力，最后是大批量低成本封裝能力。迄今為止，聲頻公司一直占據(jù)著幾乎整個(gè) MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)。聲頻公司必須依賴半導(dǎo)體代工廠提供相關(guān)技術(shù)并與他們分享利潤(rùn)。現(xiàn)在，像英飛凌這樣的半導(dǎo)體公司的進(jìn)入意味著該市場(chǎng)擁有了新的選擇，并且降低了元件購(gòu)買(mǎi)者的風(fēng)險(xiǎn)。
尺寸的進(jìn)一步縮小將會(huì)受到制造過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化貼裝工具的限制，因?yàn)橐纛l端口不能采用真空工具進(jìn)行操作。其實(shí)限制主要來(lái)自MEMS尺寸本身，MEMS的尺寸不到當(dāng)今普通麥克風(fēng)的一半。
ASIC 中將集成更多功能，A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字輸出是第一步。此外，還可利用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，如風(fēng)噪信號(hào)過(guò)濾構(gòu)件。專用接口和信號(hào)預(yù)處理也將成為一個(gè)很大的應(yīng)用領(lǐng)域。RF 屏蔽也將得到進(jìn)一步改進(jìn)。
在音頻方面，也會(huì)有很多變化。SMM310針對(duì)人聲進(jìn)行了優(yōu)化，但是在20Hz-20kHz的頻率范圍內(nèi)，還有較高的聲學(xué)敏感性。
很難預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)出現(xiàn)帶有集成式麥克風(fēng)并能記錄美妙立體聲的單片式錄像電話，但是，毫無(wú)疑問(wèn)我們正在朝著這個(gè)方向發(fā)展。
