提升MEMS麦克风灵敏度的设计方法
周建民
摘要
微机电系统(MEMS)麦克风性能可望大幅提升。传统顶部收音麦克风的后室空气容积较小使得信噪比(SNR)表现受到局限，因此半导体厂家利用创新封装技术，将后共振腔室扩大以降低杂音，达到更出色的灵敏度。
1 引言
微机电系统(MEMS) 麦克风性能可望大幅提升。传统顶部收音麦克风的后室空气容积较小使得信噪比(SNR)表现受到局限，因此半导体厂家利用创新封装技术，将后共振腔室扩大以降低杂音，达到更出色的灵敏度。
微机电系统(MEMS)技术的问世和应用，让麦克风变得越来越小、性能越来越高。MEMS麦克风具有诸多优势，例如高信噪比(SNR)、低功耗、高灵敏度。其所用的微型封装可相容贴装工艺且温度特性非常出色，不会受到回流焊工艺的影响。
2 MEMS麦克风及其特性
2.1 声学传感采用半导体工艺
MEMS 麦克风所用的声学传感器是利用半导体生产线制作，且通过高度自动化过程封装的晶片(图1)。MEMS麦克风的制造过程为，首先是在晶圆上沉积数层不同物质，然后蚀去无用物质，在基础晶片上形成一个腔室，接着在腔室上覆盖一层能够运动的振膜和一个固定的背板，传感器背板具有优良的刚性，采用通孔结构通风性能优异，当空气流过时，背板保持静止，而振膜是一个很薄的实心结构，当声波引起气压变化时，振膜将会弯曲，振膜运动时，振膜与背板间的电容量将会变化。
2.2 数字麦克风具较高抗噪性
在MEMS麦克风内，特定应用集成电路 (ASIC) 晶片利用电荷泵在麦克风振膜上放置一个固定的参考电荷。当振膜运动导致振膜与背板间的电容量发生变化时，ASIC可测量电压变化并将这种电容变化转换成电信号(图2)。
模拟MEMS麦克风的输出电压与瞬间气压成正比。模拟麦克风通常只有三个接脚：输出、电源电压(VDD)和接地。虽然模拟MEMS麦克风的介面在原理上比较简单，但为避免在麦克风输出与信号接收晶片的输入间出现拾起噪音，模拟信号要求工程人员必须精心设计印刷电路板和线缆，大多数应用还需要低噪音频模拟数字转换器 (ADC)把模拟麦克风输出转换成数字格式，用于后序处理或传输。
数字MEMS麦克风的输出为数字信号，可在高低逻辑位准间转换。大部分数字麦克风采用脉冲密度调变技术(PDM)生成过取样速率较高的单个位元信号流。PDM麦克风的脉冲密度与瞬间空气压力级成正比PDM技术与D类功放所用的脉宽调变(PWM) 技术相似，不同之处在于PWM技术的脉冲间隔时间是定量，使用脉宽给信号编码，而PDM则相反，脉宽是定量，使用脉冲间隔时间给信号编码。
除输出、接地和供电电压(VDD)接脚外，大部分数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。时钟输入用于控制Δ-Σ调制器，将传感器的模拟信号转换成PDM数字信号。数字麦克风的典型时钟频率通常在1M~3.5MHz之间，麦克风输出信号在所选时钟边沿进入适合的逻辑状态，在另外半个时钟周期进入高阻抗状态，这个两个数字麦克风的输入共用一条信号线，L/R输入确定有效信号是在哪一个时钟边沿上。
数字麦克风输出相对来说具有较高的抗噪性，但是信号完整性却是一项令人关心的问题，因为寄生电容以及麦克风输出与系统晶片之间的电感导致信号失真。此外，阻抗失匹也会产生反射问题，若数字麦克风与系统晶片间隔较大，反射现象将会导致信号失真。
虽然数字麦克风不需要信号转换器，但是 PDM输出的单位元PDM格式，在大多数情况下必须转换成多位元脉冲代码调制(PCM)格式。很多转换器和系统晶片都有PDM输入，其内部滤波器负责将PDM信号转换成PCM格式，微控制器(MCU)也使用同步序列介面捕获数字麦克风的PDM信号流，然后通过软件滤波器将其转换成PDM格式。
2.3 封装开孔影响麦克风性能
MEMS麦克风采用由基板和封装盖组成的空心封装，内部元件包括声学传感器和介面ASIC(图 3)。封装基板下面是焊盘，用于将麦克风焊接在电路板或挠性电路上。在大多数MEMS麦克风的内部MEMS声学传感器和介面 ASIC是两颗独立的晶片，为制作能够移动的结构，声学传感器的工艺经过最佳化改良，而ASIC晶片则采用工业标准的互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺。ASIC通过引线键合方式连接到传感器和基板，然后将封装盖扣在基板上并进行密封处理。
为让声音能传入声学传感器，MEMS麦克风须在封装上开孔，声孔位置可以在封装盖上(顶部收音)或在焊盘附近(底部收音)(图4)。底部收音麦克风，还要求在电路板上的麦克风安装位置开一个孔让声音能穿过电路板传入麦克风声孔。麦克风是选用顶部收音或底部收音，通常取决于多种因素，例如，麦克风的安装位置和厂家的考虑性能也是麦克风选型的重要因素因为顶部收音麦克风的性能通常低于底部收音麦克风。随着高性能顶部收音麦克风问世，顶部收音麦克风的性能将随之改善。
