隨著(zhù)智能手機的興起，對于聲音品質(zhì)和輕薄短小的需求越來(lái)越受到大家的重視，近年來(lái)廣泛應用的噪聲抑制及回聲消除技術(shù)均是為了提高聲音的品質(zhì)。相比于傳統的駐極體式麥克風(fēng)（ECM），電容式微機電麥克風(fēng)采用硅半導體材料制作，這便于集成模擬放大電路及ADC（∑-ΔADC）電路，實(shí)現模擬或數字微機電麥克風(fēng)元件，以及制造微型化元件，非常適合應用于輕薄短小的便攜式裝置。本文將針對CMOS微機電麥克風(fēng)的設計與制造進(jìn)行介紹，并比較純MEMS與CMOS工藝微導入麥克風(fēng)的差異。
電容式微麥克風(fēng)原理
MEMS微麥克風(fēng)是一種微型的傳感器。其原理是利用聲音變化產(chǎn)生的壓力梯度使電容式微麥克風(fēng)的聲學(xué)振膜受聲壓干擾而產(chǎn)生形變，進(jìn)而改變聲學(xué)振膜與硅背極板之間的電容值。該電容值的變化由電容電壓轉換電路轉化為電壓值的輸出變化，再經(jīng)過(guò)放大電路將MEMS傳感器產(chǎn)生得到電壓放大輸出，從而將聲壓信號轉化成電壓信號。在此必須采用一個(gè)高阻抗的電阻為MEMS傳感器提供一個(gè)偏置電壓VPP，借以在MEMS傳感器上產(chǎn)生固定電荷，最后的輸出電壓將與VPP及振膜的形變Δd成正比。振膜的形變與其剛性有關(guān)，剛性越低則形變越大；另一方面，輸出電壓與d（氣隙）成反比，因此氣隙越低，則輸出電壓及靈敏度越優(yōu)，但這都將受限于MEMS傳感器的吸合電壓，也就是受限于MEMS傳感器靜電場(chǎng)的最大極限值（圖1）。
圖1 電容式麥克風(fēng)原理
CMOS微機電麥克風(fēng)電路設計
在CMOS微麥克風(fēng)設計中，電路是一個(gè)非常重要的環(huán)節，它將影響到微麥克風(fēng)的操作、感測，以及系統的靈敏度。以圖2為例，駐極式電容微麥克風(fēng)的感應電荷由駐極體材料本身提供的駐極電荷所產(chǎn)生，而凝縮式電容微麥克風(fēng)則是采用從CMOS的操作電壓中抽取一個(gè)偏置電壓，再通過(guò)一個(gè)高阻抗電阻提供給微麥克風(fēng)的聲學(xué)振膜來(lái)提供固定的電荷源。此時(shí)，若聲學(xué)振膜受到聲壓驅動(dòng)而產(chǎn)生位移變化，則電極板（感測端）的電壓將會(huì )發(fā)生變化。最后，通過(guò)電路放大器將信號放大，則可實(shí)現模擬麥克風(fēng)的電路設計；如果再加上一個(gè)∑-ΔADC模數轉換電路，便可完成數字麥克風(fēng)的電路設計（一般數字麥克風(fēng)的輸出信號為1比特PDM輸出）。
圖2 微麥克風(fēng)電路設計簡(jiǎn)圖
CMOS微機電麥克風(fēng)工藝分類(lèi)
從微機電麥克風(fēng)的制造來(lái)看，就目前的技術(shù)層面而言，集成CMOS電路的MEMS元件可分為三種。Pre-CMOS MEMS工藝：先制作MEMS結構，再制作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS工藝：CMOS與MEMS元件工藝混合制造；Post-CMOS MEMS工藝：先實(shí)現CMOS元件，再進(jìn)行MEMS結構制造。一般而言，前兩種方法無(wú)法在傳統的晶圓廠(chǎng)進(jìn)行，而Post-CMOS MEMS則可以在半導體晶圓代工廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)。
圖3簡(jiǎn)述了Post-CMOS MEMS的制造方式。在Post-CMOS MEMS工藝中需特別注意，不能讓額外的熱處理或高溫工藝影響到CMOS組件的物理特性及MEMS的應力狀態(tài)，以免影響到振膜的初始應力。鑫創(chuàng )科技公司克服了諸多的技術(shù)難題，完全采用標準的CMOS工藝來(lái)同時(shí)制造電路元件及微機電麥克風(fēng)結構。在CMOS部分完成后，將芯片的背面研磨至適當厚度以符合封裝要求。最后，利用氫氟酸溶液（HF）去除犧牲氧化物來(lái)釋放懸浮結構。此外，在設計中還需考慮可完全去除犧牲材料而又不損害麥克風(fēng)振膜的蝕刻方法，并應避免麥克風(fēng)振膜與背電極板之間產(chǎn)生粘黏現象。
圖3 Post-CMOS MEMS微麥克風(fēng)的基本結構及工藝步驟
粘黏現象：由于麥克風(fēng)振膜與背電極板之間的距離僅為數微米，在該尺寸下，當表面張力、范德華力、靜電力、離子鍵等作用力大于麥克風(fēng)振膜的回復力時(shí)，麥克風(fēng)振膜將產(chǎn)生永久形變而附著(zhù)于背電極板上，從而無(wú)法產(chǎn)生振動(dòng)。通常，微機電懸浮結構粘黏現象的主要成因可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)發(fā)生在麥克風(fēng)振膜釋放后，麥克風(fēng)振膜受到表面張力影響，因而被拉近到與背電極板的距離非�？拷�，若此時(shí)范德華力或氫鍵力等表面力大于麥克風(fēng)振膜的回復力，則結構將產(chǎn)生粘黏現象而無(wú)法回復；第二類(lèi)是懸浮結構在使用中受到外力沖擊或是靜電力吸引而落入表面力較回復力大的區域，則也會(huì )發(fā)生粘黏現象。因此，在結構設計上，必須特別考慮麥克風(fēng)振膜在釋放后的結構變形問(wèn)題，并在重要的結構部位予以強化，利用特殊設計來(lái)減少粘黏現象的發(fā)生。
純MEMS與CMOS工藝的差異
多數企業(yè)所開(kāi)發(fā)的MEMS微麥克風(fēng)主要分為兩種形態(tài)：第一種是利用專(zhuān)業(yè)的MEMS代工廠(chǎng)制造出MEMS IC，再加上一個(gè)ASIC放大器，將MEMS IC及ASIC IC用SIP封裝方式封裝成MEMS麥克風(fēng)芯片。這一部分在IC封裝過(guò)程中必須保護振膜不被破壞，其封裝成本相對較高；另一種是先利用CMOS晶圓廠(chǎng)制造出ASIC部分，再利用后工藝來(lái)形成MEMS的結構部分。其MEMS工藝技術(shù)目前似乎還無(wú)法在標準的CMOS晶圓廠(chǎng)完成，這主要是由于振膜需沉積高分子聚合物材料，而高分子聚合物材料還未用于目前的標準半導體IC工藝。另外，在CMOS工藝完成后，需分別在芯片的正面蝕刻出振膜并在其背面蝕刻出腔體及聲學(xué)孔。該步驟通過(guò)載體晶圓（Carrier Wafer）來(lái)完成，在標準的CMOS鑄造廠(chǎng)目前尚未創(chuàng )建出這樣的環(huán)境。
目前，最大的課題是如何突破這兩種形態(tài)MEMS麥克風(fēng)的封裝技術(shù)。其專(zhuān)利均由美國的微麥克風(fēng)企業(yè)所掌控，因此，MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)占有率主要分布在少數企業(yè)手上。
鑫創(chuàng )科技采取的方式是在CMOS工藝完成后，從芯片的背面形成腔體和聲學(xué)孔作為MEMS結構的釋放。這一部分無(wú)需使用特殊的機器和材料，可在現有的CMOS晶圓廠(chǎng)內完成，因而能夠降低開(kāi)發(fā)成本。另外，鑫創(chuàng )科技的產(chǎn)品可直接利用晶圓級封裝技術(shù)將CMOS電路與微麥克風(fēng)集成在同一塊芯片上，同樣可避免在封裝過(guò)程中對振膜產(chǎn)生破壞（圖4）。
圖4 微機麥克風(fēng)掃描電路
MEMS麥克風(fēng)目前已經(jīng)取代ECM麥克風(fēng)被廣泛應用于手機中（尤其是智能手機），其主要原因是MEMS麥克風(fēng)具有耐候性佳、尺寸小及易于數字化的優(yōu)點(diǎn)。MEMS麥克風(fēng)采用半導體材質(zhì)，特性穩定，不會(huì )受到環(huán)境溫濕度的影響而發(fā)生改變，因而可以維持穩定的音質(zhì)。電子產(chǎn)品組裝在過(guò)錫爐時(shí)的溫度高達260℃，常會(huì )破壞ECM麥克風(fēng)的振膜而必須返工，這將增加額外的成本。采用MEMS麥克風(fēng)則不會(huì )因為錫爐的高溫而影響到材質(zhì)，適合于SMT的自動(dòng)組裝。麥克風(fēng)信號在數字化后，可以對其進(jìn)行去噪、聲音集束及回聲消除等信號處理，從而能夠提供優(yōu)異的通話(huà)品質(zhì)。目前已有多款智能手機采用數字化技術(shù)，在功能手機中也有加速采用的跡象。此外，筆記本電腦也是目前使用MEMS麥克風(fēng)的主流，而機頂盒生產(chǎn)企業(yè)同樣在積極嘗試將MEMS麥克風(fēng)應用于開(kāi)發(fā)聲控型機頂盒。 |
