基于硅MEMS技术的麦克风简化音频设计

　　传统驻极体电容器麦克风（ECM）作为一种机电元件一直以来都用于数以十亿计的手机、笔记本电脑等便携式电子设备中。不过，过去50年间，ECM始终没有什么根本性变化，而且，由于存在大量的机械和环境噪声问题，它在新型便携式设备中的功能性受到限制，成为音频系统设计人员、机械设计人员以及制造商的关键"痛点"。

　　本文将描述设计人员和制造商如何能够利用基于CMOS（互补金属氧化物半导体）MEMS（微机电系统）技术的下一代麦克风来克服ECM的众多相关问题。

　　麦克风技术的演变：从ECM到硅晶技术

　　传统ECM是一个金属罐，由一层可移动的永久充电振膜和一块与之平行的刚性背板以及场效应晶体管（FET）构成，如图1所示。声波使振膜弯曲，改变振膜和背板之间的气隙间距，从而使振膜和背板之间的电容发生改变，这种改变以电压变化的形式输出，可反映出进入声波的频率和幅度。

　　图1所示为一典型的音频系统设计，其中，FET的源极接地，漏极一般通过一个2.2k的电阻偏置。

　　图1：驻极体电容器麦克风（ECM）的横截面简图。

　　需注意，ECM的振膜与FET的栅极相连接，如图2所示。ECM的输出通过一个串联电容被AC耦合到前置放大器。这一AC耦合电容提供了一个单极高通滤波器（HPF），有助于过滤掉可能使模数转换器（ADC）进一步饱和的有害低频成份。尽管ECM的输出是单端的，为获得最佳噪声性能，设计人员通常通过从ECM附近的未用前置放大器输入各产生一路线迹，并使两路线迹保持平衡，再使用一个差分输入放大器，消除了两路线迹中的共模板级噪声源。

　　图2：采用ECM和集成式FET的音频系统的典型示意图。

　　麦克风设计的挑战：减少噪声

　　频系统设计人员的主要挑战是在系统设计中使总体噪声最低。ECM的噪声由若干来源决定：偏置电压波动引起的电子噪声，FET噪声，板级噪声，振膜的声音自噪声，以及被耦合到FET的高阻抗输入的外部电磁（EM）场和射频（RF）场。

　　当安置有ECM的系统靠近带有功率控制的射频发射器时，功率控制产生的RF信号的音频成份可通过麦克风解调，转换为可闻于音频路径的声音信号。低功率的便携式设备一般使用功率门限（powergating）技术，不在使用中时就关断RF。这种门限在音频下出现。

　　在ECM中，由FET的高阻抗栅极来调校发射功率放大器的门限（在音频频段内出现），并放大信号。一旦信号进入音频频段，就很难消除。当音频信号产生可听见的干扰（一般称为击穿噪声）时，RF功率放大器的功率门限开启。减少ECM击穿噪声最有效的方法是把栅极引线长度减至最短，并用一个电容来滤除手机、笔记本电脑等配备有Wi-Fi功能的无线系统中出现的RF干扰。这一电容应该加在FET的漏极上，并最好位于麦克风罐内部。该电容容值根据干扰场的载波频率和电容的最佳衰减频率来选择。电容的衰减频率可从制造商提供的规格手册中查到。

　　音频系统中另一个最常见的噪声源是电源（偏置电压）波动。ECM是低敏感度的麦克风，输出10mVrms数量级的很小的模拟信号。由于ECM没有任何电源抑制（PSR）能力，电源很小的波动就能引起用户能听到小输出信号波动。因此，为了维持最佳信噪比，应该采用额外的滤波元件来保持麦克风偏置电源的"干净"。

　　在音频系统中使用ECM还带来了许多机械设计和制造方面的挑战。首先也是最重要的，虽然ECM一直在不断缩小，但它已达到其尺寸极限，再进一步变小，就得付出敏感性、频率响应及噪声等性能降低的代价。目前，便携式电子设备中所用ECM的标准尺寸范围为直径4～6mm，高度1.0～2.0mm。

　　另一项挑战是ECM不仅能够检测声音信号，还能检测出机械振动，并最终把振动转换为低频声音信号。当ECM被置于振动环境时，比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上，音频系统的主要噪声源将是振动。减少麦克风处振动的唯一方法是，在把麦克风安装在电路板上时，采用额外的机械隔离材料。

　　此外，不论是制作ECM振膜和背板的材料，还是ECM的永久振膜充电，在表面安装必需的高温下，性能都会显著下降。因此，在麦克风和电路板之间必须使用某种形式的电子互连（插座或弹性压缩式连接器），从而使本已很大的元件总体高度更大（与目前许多便携式电子设备的纤薄外形相比）。最后，因为ECM不能进行表面安装，而需手工组装，故与能够采用自动分捡（pickandplace）组装工艺，能被焊接到电路板上的元件相比，它的组装成本更高，可靠性更低。

Akustica公司正在利用称为CMOSMEMS的最新型MEMS技术开发新一代的单芯片硅晶麦克风。不同于其它硅晶麦克风需要至少两块硅芯片，一