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利用MEMS麥克風(fēng)改善移動設(shè)備聲學(xué)性能

發(fā)布時間:2008-10-17 來源:英飛凌科技公司

中心論題:

  • MEMS麥克風(fēng)的工作原理 。
  • MEMS麥克風(fēng)的性能特點 。
  • MEMS麥克風(fēng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 。
  • MEMS麥克風(fēng)的技術(shù)展望 。
解決方案:
  • 雙芯片式方法快速向ASIC增添額外功能。
  • MEMS麥克風(fēng)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(diào)試成本。
  • 外部偏置支持設(shè)計具有不同敏感性的麥克風(fēng)。
  • 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(fēng)外形較小,與目前廣泛采用的駐極體麥克風(fēng)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(fēng)采用全自動表面貼裝(SMT)生產(chǎn)工藝,而大多數(shù)駐極體麥克風(fēng)則需手工焊接。這不僅能簡化生產(chǎn)流程,降低生產(chǎn)成本,而且能夠提供更高的設(shè)計自由度和系統(tǒng)成本優(yōu)勢。

想象一下不到普通麥克風(fēng)一半大小并帶有集成音頻信號處理功能,MEMS麥克風(fēng)可以作為單芯片手機一個集成部分。新型MEMS麥克風(fēng)的全部潛能還有待挖掘,但是第一批采用這種技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應(yīng)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(fēng)SMM310內(nèi)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(zhuǎn)換為電容變化。ASIC芯片用于檢測MEMS電容變化,并將其轉(zhuǎn)換為電信號,傳遞給相關(guān)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(shù)。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(gòu)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(fēng)都是駐極體電容器麥克風(fēng)(ECM),這種技術(shù)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(fēng)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(fēng)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(diào)試成本。

MEMS麥克風(fēng)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(nèi)都可保持穩(wěn)定的聲學(xué)和電氣參數(shù)。MEMS芯片的外部偏置還支持設(shè)計具有不同敏感性的麥克風(fēng)。

傳統(tǒng)ECM的尺寸通常比MEMS麥克風(fēng)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(fēng)內(nèi)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(shù)。在駐極體中,必須添加IC,而在MEMS麥克風(fēng)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(fēng)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(shè)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(fēng)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(yīng)用尤其重要,而且對所有與移動電話工作原理類似的設(shè)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(fēng)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(fēng)會對由安裝在同一PCB上的揚聲器引起的PCB 噪聲產(chǎn)生更低的振動耦合。

廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

考慮到硅基麥克風(fēng)的眾多優(yōu)勢和系統(tǒng)成本,硅基麥克風(fēng)對那些對尺寸、耐熱性、振動和RF都有很高要求的中高端應(yīng)用,將具有很大的吸引力,例如圖1所示的應(yīng)用實例。 
 
圖1:帶有額外30pF 電容進行共模抑制的移動電話應(yīng)用示例

尺寸不僅指麥克風(fēng)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(yīng)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(zhuǎn)換器可以很容易地集成在ASIC中。通過給麥克風(fēng)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(fēng)還有另一個優(yōu)點。在VoIP日漸風(fēng)行的情況下,筆記本電腦可以當(dāng)作電話來使用。采用麥克風(fēng)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(diào)節(jié)。但要計算來自一個陣列中不同麥克風(fēng)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(fēng),如MEMS麥克風(fēng)。

除消費應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用領(lǐng)域外,MEMS麥克風(fēng)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(yīng)用都有可能用到MEMS麥克風(fēng)。中高端應(yīng)用的系統(tǒng)成本大致相同。但是,MEMS麥克風(fēng)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(shù)的大好時機,以便將來從中受益。

技術(shù)展望

英飛凌推出新產(chǎn)品系列?硅基MEMS麥克風(fēng),該產(chǎn)品系列中的第一款產(chǎn)品是SMM310?SMT模擬輸出單端麥克風(fēng)。半導(dǎo)體制造商具備制造該產(chǎn)品系列的核心能力。首先是MEMS設(shè)計和制造能力,其次是ASIC(專用集成電路)設(shè)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(fēng)市場。聲頻公司必須依賴半導(dǎo)體代工廠提供相關(guān)技術(shù)并與他們分享利潤?,F(xiàn)在,像英飛凌這樣的半導(dǎo)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(fēng)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(dāng)今普通麥克風(fēng)的一半。

ASIC 中將集成更多功能,A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字輸出是第一步。此外,還可利用標準構(gòu)件,如風(fēng)噪信號過濾構(gòu)件。專用接口和信號預(yù)處理也將成為一個很大的應(yīng)用領(lǐng)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(nèi),還有較高的聲學(xué)敏感性。
很難預(yù)測何時會出現(xiàn)帶有集成式麥克風(fēng)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。


 

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