基于硅MEMS技术的麦克风简化音频设计

块用作硅晶麦克风换能器单元，另一块用作集成电路（IC），CMOSMEMS麦克风是单块式集成电路，其中MEMS换能器单元由标准CMOS晶圆中的金属介电质结构形成。由于CMOSMEMS麦克风是采用业界标准CMOS工艺和目前用来制造集成电路的设备制作的，故该器件可以在全球任何一家CMOS晶圆厂生产。CMOSMEMS器件的制造已在九家不同的晶圆厂，经从0.6微米三层金属工艺到0.18微米铜互连工艺的11种不同CMOS技术得到验证。结果证明这项技术具有半导体制造的高良率和可重复性，能够以极高批量大规模生产。

　　在CMOSMEMS平台上开发的单块集成电路硅晶麦克风解决方案使消费电子设备设计人员和制造商得以避免众多ECM相关问题。图3是一个单芯片硅晶麦克风的俯视图和横截面图。这一单块芯片由MEM换能器（transducer）和阻抗匹配线路组成，它也是一个带有可移动振膜和刚性背板的电容性传感器。

　　图3:CMOSMEMS麦克风芯片的俯视图（a）和横截面图（b）。

　　图4所示为一个采用了CMOSMEMS模拟麦克风的典型音频系统。鉴于CMOSMEMS麦克风更类似于模拟IC而非ECM，它也采用类似于IC的供电分式，直接连接到电源。电源输入和系统其余部分之间的片上隔离为元件增加了PSR，使CMOSMEMS麦克风本质上比ECM具有更强的抗电源噪声能力，并不再需要额外的滤波线路来保持电源线的"干净"。

　　图4：采用CMOSMEMS麦克风的典型音频系统示意图。

　　当在微米级的声学结构内制作电子线路时，线迹长度很短，能够提高减少击穿噪声的能力。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麦克风中，由于是片上放大级，隔膜和前置放大器的间距极短，输入输出隔离更好。因为有电源和输出信号隔离更好，加上隔膜到前置放大器的距离更短，几乎没有可能会把电磁场耦合到麦克风里。

　　CMOSMEMS麦克风还解决了使用ECM所遇到的许多机械设计和制造方面的挑战。首先，CMOSMEMS麦克风单块集成电路的特性使其占位面积和高度比传统ECM尺寸的一半还要小。其次，CMOSMEMS麦克风振膜的尺寸和质量都很小，较之直径4-6mm的ECM振膜，其直径小于0.5mm，提高了抗振动性。第三，由于CMOSMEMS麦克风是采用标准CMOS材料和工艺制作的，它们本质上就能够耐受表面安装时所需的高温环境。无需机械互连又使这种麦克风系统的总体高度显著降低。最后，CMOS硅晶麦克风具有表面安装和分捡兼容性，不再需要进行手工组装，故而降低了成本，并提高了可靠性、生产能力和良率。

　　CMOSMEMS麦克风还能够在芯片上集成一个模数转换器，形成一个具有强健数字输出的麦克风。由于大多数便携式应用最终都会把麦克风的模拟输出转换为数字信号来处理，因此系统架构可以设计成完全数字式的，这样一来，就从电路板上去掉了很容易产生噪声的模拟信号，并简化了总体设计。

　　使用数字CMOSMEMS麦克风的优点在麦克风和CODEC之间需要很长电缆的应用中最为显著，比如笔记本电脑平台，为达最佳声效，一般麦克风被安装在显示器中，而CODEC则安装在电脑主体的母板上。在这种情形下，有许多电缆线和电子噪声源会对笔记本电脑显示器周围的小模拟声音信号产生干扰，故需要屏蔽布线（shieldedcabling）和其它过滤元件来将干扰减至最小。然而，若使用数字CMOSMEMS麦克风，则无需屏蔽布线或过滤元件，简化了设计，减少了总体元件数目，降低了材料清单（BOM）成本。

　　本文小结

　　在为当前的下一代便携式电子设备设计音频系统时，CMOSMEMS麦克风能够解决使用ECM所无法解决的许多困难。表1总结了ECM麦克风和CMOSMEMS麦克风之间的不同之处，便于系统和机械设计人员以及制造商更好地利用CMOSMEMS麦克风。

　　表1:ECM麦克风和CMOSMEMS麦克风的主要特性比较。

　　利用Akustica公司的专利CMOSMEMS技术，可以把振膜与强有力的模数信号处理功能集成在单块芯片中，从而实现可用于未来的便携式电子设备的下一代麦克风。CMOSMEMS麦克风提供的这种设计简单性和生产效率将使手机、PC机、PDA和无数其它消费电子产品的设计人员及制造商能够制造出更强劲、功能更丰富、成本更低的产品，更好地为市场服务。