硅MEMS麥克風(fēng)克服噪聲問題

趙彬

傳統(tǒng)駐極體電容器麥克風(fēng)（ECM）作為一種機(jī)電元件一直以來都用于數(shù)以十億計(jì)的手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備中。不過，過去50年間，ECM始終沒有什么根本性變化，而且，由于存在大量的機(jī)械和環(huán)境噪聲問題，它在新型便攜式設(shè)備中的功能性受到限制，成為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、機(jī)械設(shè)計(jì)人員以及制造商的關(guān)鍵“痛點(diǎn)”。

本文將描述設(shè)計(jì)人員和制造商如何能夠利用基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的下一代麥克風(fēng)來克服ECM的眾多相關(guān)問題。

1 麥克風(fēng)技術(shù)的演變：從ECM到硅晶技術(shù)

傳統(tǒng)ECM是一個(gè)金屬罐，由一層可移動(dòng)的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）構(gòu)成。聲波使振膜彎曲，改變振膜和背板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發(fā)生改變，這種改變以電壓變化的形式輸出，可反映出進(jìn)入聲波的頻率和幅度。

需注意，ECM的振膜與FET的柵極相連接，ECM的輸出通過一個(gè)串聯(lián)電容被AC耦合到前置放大器。這一AC耦合電容提供了一個(gè)單極高通濾波器（HPF），有助于過濾掉可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)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(shè)計(jì)人員通常通過從ECM附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個(gè)差分輸入放大器，消除了兩路線跡中的共模板級(jí)噪聲源。

2 麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)：減少噪聲

頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使總體噪聲最低。ECM的噪聲由若干來源決定：偏置電壓波動(dòng)引起的電子噪聲，F(xiàn)ET噪聲，板級(jí)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(chǎng)和射頻（RF）場(chǎng)。

當(dāng)安置有ECM的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(shí)，功率控制產(chǎn)生的RF信號(hào)的音頻成份可通過麥克風(fēng)解調(diào)，轉(zhuǎn)換為可聞?dòng)谝纛l路徑的聲音信號(hào)。低功率的便攜式設(shè)備一般使用功率門限（power gating）技術(shù)，不在使用中時(shí)就關(guān)斷RF。這種門限在音頻下出現(xiàn)。

在ECM中，由FET的高阻抗柵極來調(diào)校發(fā)射功率放大器的門限（在音頻頻段內(nèi)出現(xiàn)），并放大信號(hào)。一旦信號(hào)進(jìn)入音頻頻段，就很難消除。當(dāng)音頻信號(hào)產(chǎn)生可聽見的干擾（一般稱為擊穿噪聲）時(shí)，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(zhǎng)度減至最短，并用一個(gè)電容來濾除手機(jī)、筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無線系統(tǒng)中出現(xiàn)的RF干擾。這一電容應(yīng)該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風(fēng)罐內(nèi)部。該電容容值根據(jù)干擾場(chǎng)的載波頻率和電容的最佳衰減頻率來選擇。電容的衰減頻率可從制造商提供的規(guī)格手冊(cè)中查到。

音頻系統(tǒng)中另一個(gè)最常見的噪聲源是電源（偏置電壓）波動(dòng)。ECM是低敏感度的麥克風(fēng)，輸出10mVrms數(shù)量級(jí)的很小的模擬信號(hào)。由于ECM沒有任何電源抑制（PSR）能力，電源很小的波動(dòng)就能引起用戶能聽到小輸出信號(hào)波動(dòng)。因此，為了維持最佳信噪比，應(yīng)該采用額外的濾波元件來保持麥克風(fēng)偏置電源的“干凈”。

在音頻系統(tǒng)中使用ECM還帶來了許多機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面的挑戰(zhàn)。首先也是最重要的，雖然ECM一直在不斷縮小，但它已達(dá)到其尺寸極限，再進(jìn)一步變小，就得付出敏感性、頻率響應(yīng)及噪聲等性能降低的代價(jià)。目前，便攜式電子設(shè)備中所用ECM的標(biāo)準(zhǔn)尺寸范圍為直徑4～6mm，高度1.0～2.0mm。

另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是ECM不僅能夠檢測(cè)聲音信號(hào)，還能檢測(cè)出機(jī)械振動(dòng)，并最終把振動(dòng)轉(zhuǎn)換為低頻聲音信號(hào)。當(dāng)ECM被置于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系統(tǒng)的主要噪聲源將是振動(dòng)。減少麥克風(fēng)處振動(dòng)的唯一方法是，在把麥克風(fēng)安裝在電路板上時(shí)，采用額外的機(jī)械隔離材料。

我們正在利用稱為CMOSMEMS的最新型MEMS技術(shù)開發(fā)新一代的單芯片硅晶麥克風(fēng)。不同于其它硅晶麥克風(fēng)需要至少兩塊硅芯片，一塊用作硅晶麥克風(fēng)換能器單元，另一塊用作集成電路（IC），CMOSMEMS麥克風(fēng)是單塊式集成電路，其中MEMS換能器單元由標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓中的金屬介電質(zhì)結(jié)構(gòu)形成。由于CMOSMEMS麥克風(fēng)是采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和目前用來制造集成電路的設(shè)備制作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠生產(chǎn)。CMOSMEMS器件的制造已在九家不同的晶圓廠，經(jīng)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(shù)得到驗(yàn)證。結(jié)果證明這項(xiàng)技術(shù)具有半導(dǎo)體制造的高良率和可重復(fù)性，能夠以極高批量大規(guī)模生產(chǎn)。

在CMOSMEMS平臺(tái)上開發(fā)的單塊集成電路硅晶麥克風(fēng)解決方案使消費(fèi)電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員和制造商得以避免眾多ECM相關(guān)問題。下圖是一個(gè)單芯片硅晶麥克風(fēng)的俯視圖和橫截面圖。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(gè)帶有可移動(dòng)振膜和剛性背板的電容性傳感器。

鑒于CMOSMEMS麥克風(fēng)更類似于模擬IC而非ECM，它也采用類似于IC的供電分式，直接連接到電源。電源輸入和系統(tǒng)其余部分之間的片上隔離為元件增加了PSR，使CMOSMEMS麥克風(fēng)本質(zhì)上比ECM具有更強(qiáng)的抗電源噪聲能力，并不再需要額外的濾波線路來保持電源線的“干凈”。

當(dāng)在微米級(jí)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)制作電子線路時(shí)，線跡長(zhǎng)度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麥克風(fēng)中，由于是片上放大級(jí)，隔膜和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好。因?yàn)橛须娫春洼敵鲂盘?hào)隔離更好，加上隔膜到前置放大器的距離更短，幾乎沒有可能會(huì)把電磁場(chǎng)耦合到麥克風(fēng)里。

CMOSMEMS麥克風(fēng)還解決了使用ECM所遇到的許多機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面的挑戰(zhàn)。首先，CMOSMEMS麥克風(fēng)單塊集成電路的特性使其占位面積和高度比傳統(tǒng)ECM尺寸的一半還要小。其次，CMOSMEMS麥克風(fēng)振膜的尺寸和質(zhì)量都很小，較之直徑4-6mm的ECM振膜，其直徑小于0.5mm，提高了抗振動(dòng)性。第三，由于CMOSMEMS麥克風(fēng)是采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS材料和工藝制作的，它們本質(zhì)上就能夠耐受表面安裝時(shí)所需的高溫環(huán)境。無需機(jī)械互連又使這種麥克風(fēng)系統(tǒng)的總體高度顯著降低。最后，CMOS硅晶麥克風(fēng)具有表面安裝和分撿兼容性，不再需要進(jìn)行手工組裝，故而降低了成本，并提高了可靠性、生產(chǎn)能力和良率。

CMOSMEMS麥克風(fēng)還能夠在芯片上集成一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成一個(gè)具有強(qiáng)健數(shù)字輸出的麥克風(fēng)。由于大多數(shù)便攜式應(yīng)用最終都會(huì)把麥克風(fēng)的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來處理，因此系統(tǒng)架構(gòu)可以設(shè)計(jì)成完全數(shù)字式的，這樣一來，就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪聲的模擬信號(hào)，并簡(jiǎn)化了總體設(shè)計(jì)。

使用數(shù)字CMOSMEMS麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)在麥克風(fēng)和CODEC之間需要很長(zhǎng)電纜的應(yīng)用中最為顯著，比如筆記本電腦平臺(tái)，為達(dá)最佳聲效，一般麥克風(fēng)被安裝在顯示器中，而CODEC則安裝在電腦主體的母板上。在這種情形下，有許多電纜線和電子噪聲源會(huì)對(duì)筆記本電腦顯示器周圍的小模擬聲音信號(hào)產(chǎn)生干擾，故需要屏蔽布線（shielded cabling）和其它過濾元件來將干擾減至最小。然而，若使用數(shù)字CMOSMEMS麥克風(fēng)，則無需屏蔽布線或過濾元件，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了總體元件數(shù)目，降低了材料清單（BOM）成本。

在為當(dāng)前的下一代便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，CMOSMEMS麥克風(fēng)能夠解決使用ECM所無法解決的許多困難。利用CMOSMEMS技術(shù)，可以把振膜與強(qiáng)有力的模數(shù)信號(hào)處理功能集成在單塊芯片中，從而實(shí)現(xiàn)可用于未來的便攜式電子設(shè)備的下一代麥克風(fēng)。CMOSMEMS麥克風(fēng)提供的這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性和生產(chǎn)效率將使手機(jī)、PC機(jī)、PDA和無數(shù)其它消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員及制造商能夠制造出更強(qiáng)勁、功能更豐富、成本更低的產(chǎn)品，更好地為市場(chǎng)服務(wù)。