硅MEMS麥克風克服噪聲問題

趙彬

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

本文將描述設計人員和制造商如何能夠利用基于CMOS（互補金屬氧化物半導體）MEMS（微機電系統）技術的下一代麥克風來克服ECM的眾多相關問題。

1 麥克風技術的演變：從ECM到硅晶技術

傳統ECM是一個金屬罐，由一層可移動的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場效應晶體管（FET）構成。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生改變，這種改變以電壓變化的形式輸出，可反映出進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的輸出通過一個串聯電容被AC耦合到前置放大器。這一AC耦合電容提供了一個單極高通濾波器（HPF），有助于過濾掉可能使模數轉換器（ADC）進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，設計人員通常通過從ECM附近的未用前置放大器輸入各產生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個差分輸入放大器，消除了兩路線跡中的共模板級噪聲源。

2 麥克風設計的挑戰：減少噪聲

頻系統設計人員的主要挑戰是在系統設計中使總體噪聲最低。ECM的噪聲由若干來源決定：偏置電壓波動引起的電子噪聲，FET噪聲，板級噪聲，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）場和射頻（RF）場。

當安置有ECM的系統靠近帶有功率控制的射頻發射器時，功率控制產生的RF信號的音頻成份可通過麥克風解調，轉換為可聞于音頻路徑的聲音信號。低功率的便攜式設備一般使用功率門限（power gating）技術，不在使用中時就關斷RF。這種門限在音頻下出現。

在ECM中，由FET的高阻抗柵極來調校發射功率放大器的門限（在音頻頻段內出現），并放大信號。一旦信號進入音頻頻段，就很難消除。當音頻信號產生可聽見的干擾（一般稱為擊穿噪聲）時，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度減至最短，并用一個電容來濾除手機、筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無線系統中出現的RF干擾。這一電容應該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風罐內部。該電容容值根據干擾場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格手冊中查到。

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

在音頻系統中使用ECM還帶來了許多機械設計和制造方面的挑戰。首先也是最重要的，雖然ECM一直在不斷縮小，但它已達到其尺寸極限，再進一步變小，就得付出敏感性、頻率響應及噪聲等性能降低的代價。目前，便攜式電子設備中所用ECM的標準尺寸范圍為直徑4～6mm，高度1.0～2.0mm。

另一項挑戰是ECM不僅能夠檢測聲音信號，還能檢測出機械振動，并最終把振動轉換為低頻聲音信號。當ECM被置于振動環境時，比如安裝在電風扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系統的主要噪聲源將是振動。減少麥克風處振動的唯一方法是，在把麥克風安裝在電路板上時，采用額外的機械隔離材料。

我們正在利用稱為CMOSMEMS的最新型MEMS技術開發新一代的單芯片硅晶麥克風。不同于其它硅晶麥克風需要至少兩塊硅芯片，一塊用作硅晶麥克風換能器單元，另一塊用作集成電路（IC），CMOSMEMS麥克風是單塊式集成電路，其中MEMS換能器單元由標準CMOS晶圓中的金屬介電質結構形成。由于CMOSMEMS麥克風是采用業界標準CMOS工藝和目前用來制造集成電路的設備制作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠生產。CMOSMEMS器件的制造已在九家不同的晶圓廠，經從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技術得到驗證。結果證明這項技術具有半導體制造的高良率和可重復性，能夠以極高批量大規模生產。

在CMOSMEMS平臺上開發的單塊集成電路硅晶麥克風解決方案使消費電子設備設計人員和制造商得以避免眾多ECM相關問題。下圖是一個單芯片硅晶麥克風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，它也是一個帶有可移動振膜和剛性背板的電容性傳感器。

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

當在微米級的聲學結構內制作電子線路時，線跡長度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麥克風中，由于是片上放大級，隔膜和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好。因為有電源和輸出信號隔離更好，加上隔膜到前置放大器的距離更短，幾乎沒有可能會把電磁場耦合到麥克風里。

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

CMOSMEMS麥克風還能夠在芯片上集成一個模數轉換器，形成一個具有強健數字輸出的麥克風。由于大多數便攜式應用最終都會把麥克風的模擬輸出轉換為數字信號來處理，因此系統架構可以設計成完全數字式的，這樣一來，就從電路板上去掉了很容易產生噪聲的模擬信號，并簡化了總體設計。

使用數字CMOSMEMS麥克風的優點在麥克風和CODEC之間需要很長電纜的應用中最為顯著，比如筆記本電腦平臺，為達最佳聲效，一般麥克風被安裝在顯示器中，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對筆記本電腦顯示器周圍的小模擬聲音信號產生干擾，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，若使用數字CMOSMEMS麥克風，則無需屏蔽布線或過濾元件，簡化了設計，減少了總體元件數目，降低了材料清單（BOM）成本。

在為當前的下一代便攜式電子設備設計音頻系統時，CMOSMEMS麥克風能夠解決使用ECM所無法解決的許多困難。利用CMOSMEMS技術，可以把振膜與強有力的模數信號處理功能集成在單塊芯片中，從而實現可用于未來的便攜式電子設備的下一代麥克風。CMOSMEMS麥克風提供的這種設計簡單性和生產效率將使手機、PC機、PDA和無數其它消費電子產品的設計人員及制造商能夠制造出更強勁、功能更豐富、成本更低的產品，更好地為市場服務。