中心論題：
- MEMS麥克風的工作原理 。
- MEMS麥克風的性能特點 。
- MEMS麥克風廣泛的應用領域 。
- MEMS麥克風的技術展望 。
- 雙芯片式方法快速向ASIC增添額外功能。
- MEMS麥克風在不同溫度下都保持性能的穩(wěn)定節(jié)省制造過程中的音頻調試成本。
- 外部偏置支持設計具有不同敏感性的麥克風。
- 集成在IC上的寬帶射頻抑制性能實現(xiàn)對射頻進行屏蔽。
MEMS(微型機電系統(tǒng))麥克風外形較小，與目前廣泛采用的駐極體麥克風相比，具備更強的耐熱、抗振和防射頻干擾性能。由于強大的耐熱性能，MEMS麥克風采用全自動表面貼裝(SMT)生產工藝，而大多數(shù)駐極體麥克風則需手工焊接。這不僅能簡化生產流程，降低生產成本，而且能夠提供更高的設計自由度和系統(tǒng)成本優(yōu)勢。
想象一下不到普通麥克風一半大小并帶有集成音頻信號處理功能，MEMS麥克風可以作為單芯片手機一個集成部分。新型MEMS麥克風的全部潛能還有待挖掘，但是第一批采用這種技術的產品已經(jīng)在多種應用中體現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，特別是中高端移動電話。
工作原理
英飛凌麥克風SMM310內含兩塊芯片：MEMS芯片和ASIC芯片。兩顆芯片被封裝在一個表面貼裝器件中。MEMS芯片包括一個剛性穿孔背電極和一片彈性硅膜。MEMS芯片的用作電容，將聲壓轉換為電容變化。ASIC芯片用于檢測MEMS電容變化，并將其轉換為電信號，傳遞給相關處理器件，如基帶處理器或放大器等。ASIC 芯片是標準的IC技術。因此，這種雙芯片式方法能夠快速向ASIC增添額外功能。這種功能既可以是額外構件，如音頻信號處理、RF屏蔽，也可以是任何可以集成在標準IC上的功能。
性能特點
今天我們使用的大多數(shù)麥克風都是駐極體電容器麥克風(ECM)，這種技術已經(jīng)有幾十年的歷史。ECM 的工作原理是利用具有永久電荷隔離的聚合材料振動膜。
與ECM的聚合材料振動膜相比，MEMS麥克風在不同溫度下的性能都十分穩(wěn)定，不會受溫度、振動、濕度和時間的影響。由于耐熱性強，MEMS麥克風可承受260℃的高溫回流焊，而性能不會有任何變化。由于組裝前后敏感性變化很小，這甚至可以節(jié)省制造過程中的音頻調試成本。
MEMS麥克風需要 ASIC提供外部偏置，而ECM則不需要這種偏置。有效的偏置將使整個操作溫度范圍內都可保持穩(wěn)定的聲學和電氣參數(shù)。MEMS芯片的外部偏置還支持設計具有不同敏感性的麥克風。
傳統(tǒng)ECM的尺寸通常比MEMS麥克風大，并且不能進行SMT操作。SMT回流焊簡化了制造流程，可以省略一個制造步驟，而該步驟現(xiàn)在通常以手工方式進行。
IC與駐極體電容器麥克風內信號處理電子元件并無差別，但這是一種已經(jīng)投入使用的技術。在駐極體中，必須添加IC，而在MEMS麥克風中，只需在IC上添加額外的專用功能即可。與ECM相比，這種額外功能的優(yōu)點是使麥克風具有很高的電源抑制比。也就是說，如果電源電壓有波動，則會被有效抑制。
SMM310的智能ASIC設計使得其功耗非常低，只有標準ECM的三分之一(在1.5-3.3 V的電源電壓下，SMM310的電流消耗為~70 µA，如表1所示)。
表1：新型SMM310硅基MEMS麥克風的特性參數(shù)。
另一個優(yōu)點是集成在IC上的寬帶射頻抑制性能，這一點不僅對移動電話這樣的射頻應用尤其重要，而且對所有與移動電話工作原理類似的設備(如助聽器)都非常重要。SMM310有一個金屬蓋，可以對射頻進行屏蔽。
MEMS麥克風的小型振動膜還有另一個優(yōu)點，直徑不到1mm的小型薄膜其重量同樣輕巧，這意味著，與ECM相比，MEMS麥克風會對由安裝在同一PCB上的揚聲器引起的PCB 噪聲產生更低的振動耦合。
廣泛的應用領域
考慮到硅基麥克風的眾多優(yōu)勢和系統(tǒng)成本，硅基麥克風對那些對尺寸、耐熱性、振動和RF都有很高要求的中高端應用，將具有很大的吸引力，例如圖1所示的應用實例。
圖1：帶有額外30pF 電容進行共模抑制的移動電話應用示例
尺寸不僅指麥克風器件的占位空間，還指那些能夠通過ASIC更高程度集成可省去的分立器件的尺寸。具有上述要求的應用包括：中高端移動電話、數(shù)碼相機、PDA或游戲控制臺等。
A/D 轉換器可以很容易地集成在ASIC中。通過給麥克風配備數(shù)字接口，音頻信號就不會因為RF 噪聲的干擾而失真。這對移動電話和筆記本電腦而言都是一個優(yōu)勢。
對于筆記本電腦而言，硅基麥克風還有另一個優(yōu)點。在VoIP日漸風行的情況下，筆記本電腦可以當作電話來使用。采用麥克風陣列軟件，可以對筆記本電腦附近或整個空間(如會議室)的方向敏感性進行調節(jié)。但要計算來自一個陣列中不同麥克風的延遲信號的聲音方向，則需要具有非常穩(wěn)定性能的麥克風，如MEMS麥克風。
除消費應用和數(shù)據(jù)處理應用領域外，MEMS麥克風對工業(yè)、醫(yī)療及汽車行業(yè)也有很大的吸引力，從機器監(jiān)視、助聽器到車載免提裝置等應用都有可能用到MEMS麥克風。中高端應用的系統(tǒng)成本大致相同。但是，MEMS麥克風還有很大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在也許就是了解這種全新技術的大好時機，以便將來從中受益。
技術展望
英飛凌推出新產品系列?硅基MEMS麥克風，該產品系列中的第一款產品是SMM310?SMT模擬輸出單端麥克風。半導體制造商具備制造該產品系列的核心能力。首先是MEMS設計和制造能力，其次是ASIC(專用集成電路)設計和制造能力，最后是大批量低成本封裝能力。迄今為止，聲頻公司一直占據(jù)著幾乎整個 MEMS麥克風市場。聲頻公司必須依賴半導體代工廠提供相關技術并與他們分享利潤。現(xiàn)在，像英飛凌這樣的半導體公司的進入意味著該市場擁有了新的選擇，并且降低了元件購買者的風險。
尺寸的進一步縮小將會受到制造過程中標準自動化貼裝工具的限制，因為音頻端口不能采用真空工具進行操作。其實限制主要來自MEMS尺寸本身，MEMS的尺寸不到當今普通麥克風的一半。
ASIC 中將集成更多功能，A/D 轉換和數(shù)字輸出是第一步。此外，還可利用標準構件，如風噪信號過濾構件。專用接口和信號預處理也將成為一個很大的應用領域。RF 屏蔽也將得到進一步改進。
在音頻方面，也會有很多變化。SMM310針對人聲進行了優(yōu)化，但是在20Hz-20kHz的頻率范圍內，還有較高的聲學敏感性。
很難預測何時會出現(xiàn)帶有集成式麥克風并能記錄美妙立體聲的單片式錄像電話，但是，毫無疑問我們正在朝著這個方向發(fā)展。
