MEMS麥克風可增強音頻系統的質量和可靠性

摘要：新型MEMS麥克風將高質量音頻采集能力賦予便攜式設備，同時能夠降低成本、功耗和尺寸。

關鍵詞：MEMS；麥克風；可靠性；音頻系統

當今的消費電子設備正處于音頻變革的前沿。近年來，設計人員專注于開發激動人心的新功能，如無線互聯網訪問和移動電視等，但音頻功能的發展卻相對滯后。而如今，這種狀況即將改變。

麥克風技術在多方面獲得了增強，包括信噪比(SNR)更高、寬帶頻率響應更平坦、靈敏度和相位匹配度更高等，這些技術進步有望推動新音頻功能的開發一一從高清音頻和寬帶IP語音(voIP)到改進型音頻/視頻錄制以及用于免提通話的和波束形成。

這一趨勢的根本推動力在于系統設計人員逐漸認識到，音頻處理信號鏈前端的麥克風性能不佳對整體音質有著深遠的影響。如果構建音頻子系統的麥克風性能有限，則為了調理和改善音頻信號，對下游處理的要求會大大增加。

這些要求進而會提高功耗及系統和開發成本，并使系統設計更趨復雜。而且，盡管付出了極大努力，音頻質量仍然會受制于音頻采集所用麥克風的性能。麥克風性能不佳必然會束縛設計人員的手腳，使其借助波束形成、噪聲消除技術和立體聲等新音頻功能增強最終產品性能的努力大打折扣。

傳統麥克風的性能局限

當今消費電子和通信設備的大多數音頻子系統都采用駐極體電容麥克風(ECM)。這種器件包含一個附著一層非導電性預充電材料的固定背板和一個通常由敷有金屬的聚酯薄膜制成的柔性薄膜。背板和薄膜可隨聲音運動，二者構成一個電容。

薄膜的運動會改變容值，導致輸出電壓發生變化。一個小型三引腳JFET安裝于麥克風腔內部，充當容性傳感器與輸出端之間的緩沖器。通常使用一個外部前置放大器向模數轉換器(ADc)提供信號。

一直以來，ECM由于供貨來源眾多且價格便宜而被系統設計人員廣泛采用。ECM的最新發展方向聚焦于降低成本和減小尺寸，但制造商們在提高麥克風靈敏度、SNR和線性度方面收效甚微。

因此，ECM技術雖然在過去為消費電子應用提供了成功的解決方案，但如今卻在多方面限制了性能的改善。該技術的功耗相對較高，這是電池供電的移動系統設計人員的一個主要顧慮。電源抑制(PsR)或抑制電源噪聲的能力同樣相對較差。

較差的PSR令設計人員不得不擔心LCD等其它系統組件所產生的噪聲，從而削弱了設計人員放置麥克風時的靈活性。使用ECM的設計人員可以增加一個低壓差調節器(LDo)來為麥克風產生干凈的電源，以彌補該技術PSR較差的缺點，但這種方法會增加系統元件數量，加大系統尺寸、功耗和成本。

此外，ECM技術還會引起一些額外的隱性成本。首先。使用駐極體往往需要手工裝配，這就會增加制造過程的時間和成本。其次，ECM需要多個其它支持元件，如分立轉換器和前置放大器等。這些額外元件會加大電路板面積要求，提高功耗和成本。

再次，與采用當今光刻半導體工藝制造的器件相比，駐極體無法提供如此小的容差和如此高的器件間性能一致性。ECM的靈敏度和頻率響應隨著器件和溫度的不同而有較大差異，系統設計人員難以為立體聲等基本應用進行器件匹配。

為了彌補這種不足，針對此類應用構建多麥克風設計的制造商常常必須手工挑選ECM，以便更好地匹配器件，而這又會提高成本。使制造過程進一步復雜化。

為了消除其中的一些問題，系統制造商已經開始改用表貼駐極體。但是，半導體行業正向無鉛焊接過渡，由此帶來了一些新的障礙。無鉛制造所用的更高回流焊接溫度會降低駐極體性能，為了減輕回流焊工藝對駐極體性能的影響，制造商往往不得不進行多次回流焊操作。

麥克風設計的新方向

基于微機電系統(MEMS)技術的新一代麥克風突破了駐極體的許多局限性。這種全新的麥克風設計方法可提供數字或模擬輸出，明顯改善了音頻采集的質量，適合于要求高保真音頻/視頻錄制、免提、TIA－920兼容型VoIP、語音識別等功能的應用。

雖然MEMS麥克風的最初應用僅限于助聽領域，但分析人士認為，MEMS麥克風技術的最新發展將能使數百萬該類器件在今后幾年被集成到流行的消費電子設備中，如藍牙電話聽筒、手機、PC和攝像機等。

新型麥克風利用MEMS技術將壓敏薄膜直接蝕刻到硅片中。設計人員通常將分立傳感器與集成前景放大器和ADc的ASIc匹配使用。目前使用的絕大部分MEMS麥克風提供模擬輸出，但近期的數字MEMS器件有望大幅節省成本、功耗和尺寸。

數字輸出麥克風還能極大地抑制Wi－Fi天線和LCD時鐘信號等來源所產生的RF噪聲和電磁干擾(EMI)。此外，數字輸出麥克風還有望消除模擬信號調理需求，以及模擬信號布線通常需要的傳統電纜屏蔽。這些進步將使系統設計人員能夠更靈活自由地安排麥克風在其設計中的位置，從而最大程度地發揮音頻增強功能，如立體聲和陣列波束形成等。

無論是模擬輸出還是數字輸出。基于MEMS的麥克風都可以消除ECM帶來的諸多隱性成本。MEMS麥克風采用光刻半導體工藝制造，器件與器件之間的MEMS產品容差高度一致。

采用MEMS麥克風再也無需進行手工裝配和手工挑選器件等耗時的操作。此外，無鉛焊接所需的更高回流焊溫度也不會影響基于硅的MEMS麥克風性能，因而最終產品的質量和可靠性得以增強。

同樣重要的是，MEMS麥克風制造商現已能夠提供支持高質量音頻采集的麥克風。例如，ADI公司的數字和模擬輸出全向MBMS麥克風可提供業界最高的6l dB A加權SNR性能。

更高的SNR使消費電子制造商能夠針對電話會議或高保真音頻/視頻錄制等應用提供更好的近場和遠場性能。ADI公司MEMS麥克風的典型頻率響應在100 Hz至1s kHz以上范圍內基本上是平坦的。

可靠性是麥克風設計的另一個重要關注點，特別是在消費電子應用中。大部分MEMS麥克風制造海將MEMS元件放在封裝內部遠離封裝聲音端口的地方，以便保護薄膜。這種方法的弊端是封裝內部空間與聲音端口一起構成一個亥姆霍茲諧振器，它會降低頻率響應性能。

為了解決這一問題，ADII程師開發了一種MEMS元件，它能承受160dB以上的聲壓級沖擊，并且保護薄膜免受環境灰塵顆粒的影響。這種穩定可靠的設計使得MEMS元件能夠直接放在封裝中開放聲音端口的上方，從而消除諧振，確保頻率響應極為平坦。

更平坦的頻率響應進而可以使聲音聽起來更加清晰、自然和悅耳，同時能令設計人員更輕松地改善遠場性能，并增加新特性，如高清音頻或支持兼容TIA920的寬帶v0IP等。

與EcM相比，最新一代MBMS麥克風還能提供出色的噪聲抑制能力。例如，ADI公司的新型模擬輸出MEMS麥克風提供70 dBV的PSR，數字輸出MEMS麥克風則提供80 dBFS，二者均為業界最佳。這些特性可大大簡化電源設計要求，并明顯提高設計人員在電路板布局方面的靈活性。

結束語

業界對更高音頻性能的需求顯然正在不斷增長，從藍牙電話聽筒和筆記本電腦到手機和數碼攝像機，各種消費電子設備都把它視為制勝利器之一。由于當前BCM技術的局限，要滿足這些需求面臨著嚴重的障礙。

借助半導體制造的優勢，基于MEMS的麥克風使系統設計人員一一特別是那些注重性能、空間受限、需要多麥克風的系統設計人員有機會在尺寸更小、功耗更低、可靠性更高的表貼封裝中實現更高水平的音頻功能，從而更容易集成到音頻處理信號鏈之中。