CMOS電容式麥克風設(shè)計詳解
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隨著智能手機的興起，對于聲音品質(zhì)和輕薄短小的需求越來越受到大家的重視，近年來廣泛應(yīng)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(tǒng)的駐極體式麥克風（ECM），電容式微機電麥克風采用硅半導體材料制作，這便于集成模擬放大電路及ADC（∑-Δ ADC）電路，實現(xiàn)模擬或數(shù)字微機電麥克風元件，以及制造微型化元件，非常適合應(yīng)用于輕薄短小的便攜式裝置。本文針對CMOS微機電麥克風的設(shè)計與制造進行介紹，并比較純MEMS與CMOS工藝微導入麥克風的差異。
電容式微麥克風原理
MEMS微麥克風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的聲學振膜受聲壓干擾而產(chǎn)生形變，進而改變聲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(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓值的輸出變化，再經(jīng)過放大電路將MEMS傳感器產(chǎn)生得到電壓放大輸出，從而將聲壓信號轉(zhuǎn)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傳感器靜電場的最大極限值。
CMOS微機電麥克風電路設(shè)計
在CMOS微麥克風設(shè)計中，電路是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它將影響到微麥克風的操作、感測，以及系統(tǒng)的靈敏度。駐極式電容微麥克風的感應(yīng)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(qū)動而產(chǎn)生位移變化，則電極板（感測端）的電壓將會發(fā)生變化。最后，通過電路放大器將信號放大，則可實現(xiàn)模擬麥克風的電路設(shè)計；如果再加上一個∑-Δ ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，便可完成數(shù)字麥克風的電路設(shè)計（一般數(shù)字麥克風的輸出信號為1比特PDM輸出）。
CMOS微機電麥克風工藝分類
從微機電麥克風的制造來看，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(jié)構(gòu)，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：先實現(xiàn)CMOS元件，再進行MEMS結(jié)構(gòu)制造。一般而言，前兩種方法無法在傳統(tǒng)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(chǎn)。
下圖簡述了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(yīng)力狀態(tài)，以免影響到振膜的初始應(yīng)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工藝來同時制造電路元件及微機電麥克風結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。此外，在設(shè)計中還需考慮可完全去除犧牲材料而又不損害麥克風振膜的蝕刻方法，并應(yīng)避免麥克風振膜與背電極板之間產(chǎn)生粘黏現(xiàn)象。
粘黏現(xiàn)象：由于麥克風振膜與背電極板之間的距離僅為數(shù)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振膜的回復力時，麥克風振膜將產(chǎn)生永久形變而附著于背電極板上，從而無法產(chǎn)生振動。通常，微機電懸浮結(jié)構(gòu)粘黏現(xiàn)象的主要成因可以分為兩類：第一類發(fā)生在麥克風振膜釋放后，麥克風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常靠近，若此時范德華力或氫鍵力等表面力大于麥克風振膜的回復力，則結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生粘黏現(xiàn)象而無法回復；第二類是懸浮結(jié)構(gòu)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(qū)域，則也會發(fā)生粘黏現(xiàn)象。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，必須特別考慮麥克風振膜在釋放后的結(jié)構(gòu)變形問題，并在重要的結(jié)構(gòu)部位予以強化，利用特殊設(shè)計來減少粘黏現(xiàn)象的發(fā)生。
純MEMS與CMOS工藝的差異
多數(shù)企業(yè)所開發(fā)的MEMS微麥克風主要分為兩種形態(tài)：第一種是利用專業(yè)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麥克風芯片。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(jié)構(gòu)部分。其MEMS工藝技術(shù)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(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麥克風的封裝技術(shù)。其專利均由美國的微麥克風企業(yè)所掌控，因此，MEMS麥克風市場占有率主要分布在少數(shù)企業(yè)手上。
有廠家采取的方式是在CMOS工藝完成后，從芯片的背面形成腔體和聲學孔作為MEMS結(jié)構(gòu)的釋放。這一部分無需使用特殊的機器和材料，可在現(xiàn)有的CMOS晶圓廠內(nèi)完成，因而能夠降低開發(fā)成本。另外，有些產(chǎn)品可直接利用晶圓級封裝技術(shù)將CMOS電路與微麥克風集成在同一塊芯片上，同樣可避免在封裝過程中對振膜產(chǎn)生破壞。
MEMS麥克風目前已經(jīng)取代ECM麥克風被廣泛應(yīng)用于手機中（尤其是智能手機），其主要原因是MEMS麥克風具有耐候性佳、尺寸小及易于數(shù)字化的優(yōu)點。MEMS麥克風采用半導體材質(zhì)，特性穩(wěn)定，不會受到環(huán)境溫濕度的影響而發(fā)生改變，因而可以維持穩(wěn)定的音質(zhì)。電子產(chǎn)品組裝在過錫爐時的溫度高達 260℃，常會破壞ECM麥克風的振膜而必須返工，這將增加額外的成本。采用MEMS麥克風則不會因為錫爐的高溫而影響到材質(zhì)，適合于SMT的自動組裝。麥克風信號在數(shù)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(yōu)異的通話品質(zhì)。目前已有多款智能手機采用數(shù)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麥克風應(yīng)用于開發(fā)聲控型機頂盒。
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