如何利用MEMS麥克風(fēng)改善移動(dòng)設(shè)備聲學(xué)性能

MEMS(微型機(jī)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(qiáng)的耐熱、抗振和防射頻干擾性能。由于強(qiáng)大的耐熱性能，MEMS麥克風(fēng)采用全自動(dòng)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(jiǎn)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(jì)自由度和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。

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(hào)處理功能，MEMS麥克風(fēng)可以作為單芯片手機(jī)一個(gè)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(shì)，特別是中高端移動(dòng)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(gè)表面貼裝器件中。MEMS芯片包括一個(gè)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(cè)MEMS電容變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(biāo)準(zhǔn)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(hào)處理、RF屏蔽，也可以是任何可以集成在標(biāo)準(zhǔn)IC上的功能。

性能特點(diǎn)

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(dòng)膜。

與ECM的聚合材料振動(dòng)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(huì)受溫度、振動(dòng)、濕度和時(shí)間的影響。由于耐熱性強(qiáng)，MEMS麥克風(fēng)可承受260℃的高溫回流焊，而性能不會(huì)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(gè)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(jì)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(jìn)行SMT操作。SMT回流焊簡(jiǎn)化了制造流程，可以省略一個(gè)制造步驟，而該步驟現(xiàn)在通常以手工方式進(jìn)行。

IC與駐極體電容器麥克風(fēng)內(nèi)信號(hào)處理電子元件并無(wú)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(diǎn)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(dòng)，則會(huì)被有效抑制。

SMM310的智能ASIC設(shè)計(jì)使得其功耗非常低，只有標(biāo)準(zhǔn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是集成在IC上的寬帶射頻抑制性能，這一點(diǎn)不僅對(duì)移動(dòng)電話這樣的射頻應(yīng)用尤其重要，而且對(duì)所有與移動(dòng)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(gè)金屬蓋，可以對(duì)射頻進(jìn)行屏蔽。

MEMS麥克風(fēng)的小型振動(dòng)膜還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(huì)對(duì)由安裝在同一PCB上的揚(yáng)聲器引起的PCB 噪聲產(chǎn)生更低的振動(dòng)耦合。