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CMOS 硅咪頭原理與電容式微咪頭原理

澳士堡 2020-04-14 14:32 閱讀：-

CMOS 硅咪頭原理與電容式微咪頭原理

CMOS 硅咪頭原理

　　隨著智能手機的興起，對于聲音品質和輕薄短小的需求越來越受到大家的重視，近年來廣泛應用的噪聲抑制及回聲消除技術均是為了提高聲音的品質。

　　相比于傳統的駐極體式咪頭 (ECM )，電容式微機電咪頭采用硅半導體材料制作，這便于集成模擬放大電路及 ADC( ∑-? ADC) 電路，實現模擬或數字微機電咪頭元件，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。

　　電容式微咪頭原理

　　MEMS 微咪頭是一種微型的傳感器。其原理是利用聲音變化產生的力梯度使電容式微咪頭的聲學振膜受聲壓干擾而產生形變，進而改變學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， MEMS 傳感器產生得到電壓放大輸出，從而將聲壓信號轉化成電壓信號。在此必須采用一個高阻抗的電阻為 MEMS 傳感器提供一個偏置電壓 VPP ，借以在 MEM S 傳感器上產生固定電荷，最后的輸出電壓將與 VPP 及振膜的形變 ? d 成正比。

　　振膜的形變與其剛性有關，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，但這都將受限于 MEMS 傳感器的吸合電壓，也就是受限于 MEMS 傳感器靜電場的最大極限值

　　CMOS 微機電咪頭電路設計

　　在 CMOS 微咪頭設計中，電路是一個非常重要的環節，它將影響到微咪頭的操作、感測，以及系統的靈敏度。

　　駐極式電容微咪頭的感應電荷由駐極體材料本身提供的駐極電荷所產生，而凝縮式電容微咪頭則是采用從 CMOS 的操作電壓中抽取一個偏置電壓，再通過一個高阻抗電阻提供給微麥克風的聲學振膜來提供固定的電荷源。

　　此時，若聲學振膜受到聲壓驅動而產生位移變化，則電極板的電壓將會發生變化。最后，通過電路放大器將信號放大，則可實現模擬咪頭的電路設計;

　　如果再加上一個 ∑-? ADC 模數轉換電路，便可完成數字咪頭的電路設計 (一般數字咪頭的輸出信號為 1 比特 PDM 輸出 )。從微機電咪頭的制造來看，就目前的技術層面而言，集成 CMOS 電路的 MEMS 元件可分為三種。

　　PreCMOS MEMS

　　工藝：先制作 MEMS 結構，再制作 CMOS 元件; Intra-CMOS MEMS

　　工藝： CMOS 與 M EMS 元件工藝混合制造; Post-CMOS MEMS

　　工藝：先實現 CMOS 元件，再進行 MEMS 結構制造。

　　一般而言，前兩種方法無法在傳統的晶圓廠進行，而 Post-CMOS MEMS 則可以在半導體晶圓代工廠進行生產。

　　Post-CMOS MEMS 的制造方式。在 Post-CMOS MEMS 工藝中需特注意，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，以免影響到振膜的初始應力。

　　奧仕電子有限公司克服了諸多的技術難題，完全采用標準的CMOS 工藝來同時制造電路元件及微機電咪頭結構。

　　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咪頭振膜的蝕刻方法，并應避免咪頭振膜與背電極板之間產生粘黏現象。

　　粘黏現象：由咪頭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咪頭振膜的回復力時，咪頭振膜將產生永久形變而附著于背電極板上，從而無法產生振動。

　　通常，微機電懸浮結構粘黏現象的主要成因可以分為兩類：第一類發生在咪頭振膜釋放后，咪頭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?，若此時范德華力或氫鍵力等表面力大于咪頭振膜的回復力，則結構將產生粘黏現象而無法回復;第二類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，則也會發生粘黏現象。

　　因此，在結構設計上，必須特別考慮咪頭振膜在釋放后的結構變形問題，并在重要的結構部位予以強化，利用特殊設計來減少

　　粘黏現象的發生。

　　純 MEMS 與 CMOS 工藝的差異多數企業所開發的 MEMS 微咪頭主要分為兩種形態：

　　第一種是利用專業的 MEMS 代工廠制造出 MEMS IC ，再加上一個ASIC 放大器，將 MEMS IC 及 ASIC IC 用 SIP 封裝方式封裝成MEMS 咪頭芯片。

　　這一部分在 IC 封裝過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 晶圓廠制造出 ASIC 部分，再利用后工藝來形成 MEMS 的結構部分。

　　其 MEMS 工藝技術目前似乎還無法在標準的

　　CMOS 晶圓廠完成，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孔。

　　該步驟通過載體晶圓 (Carrier Wafer) 來完成，在標準的 CMOS 鑄造廠目前尚未創建出這樣的環境。

　　目前，最大的課題是如何突破這兩種形態 MEMS 咪頭的封裝技術。其專利均由美國的微咪頭企業所掌控，因此， MEMS 咪頭市場占有率主要分布在少數企業手上。

　　奧仕電子采取的方式是在 CMOS 工藝完成后，從芯片的背面形成腔體和聲學孔作為MEMS 結構的釋放。

　　這一部分無需使用特殊的機器和材料，可在現有的CMOS 晶圓廠內完成，因而能夠降低開發成本。

　　另外，奧仕電子的產品可直接利用晶圓級封裝技術將 CMOS 電路與微咪頭集成在同一塊芯片上，同樣可避免在封裝過程中對振膜產生破壞 MEMS 咪頭目前已經取代 ECM 咪頭被廣泛應用于手機中 (尤其是智能手機 )，其主要原因是 MEMS 咪頭具有耐候性佳、尺寸小及易于數字化的優點。

　　MEMS 咪頭采用半導體材質，特性穩定，不會受到環境溫濕度的影響而發生改變，因而可以維持穩定的音質。

　　電子產品組裝在過錫爐時的溫度高達260 ℃，常會破壞 ECM 咪頭的振膜而必須返工，這將增加額外的成本。

　　采用MEMS 咪頭則不會因為錫爐的高溫而影響到材質，適合于 SMT 的自動組裝。

　　咪頭信號在數字化后，可以對其進行去噪、聲音集束及回聲消除等信號處理，從而能夠提供優異的通話品質。目前已有多款智能手機采用數字化技術，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 咪頭的主流，而機頂盒生產企業同樣在積極嘗試將 MEMS 咪頭應用于開發聲控型機頂盒。