MEMS 麦克风原理与应用

MEMS麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年增刊年增刊年增刊年增刊 www.transsound.com 1 MEMSMEMSMEMSMEMS 麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 贺志坚 郑虎鸣 （东莞泉声电子有限公司， 广东 东莞 523297） 【【【【摘摘摘摘 要要要要】】】】本文主要介绍 MEMS 麦克风的基本原理、结构及声学、电气性能。简要叙述 MEMS 麦克风在新型 IT 产品使用中的基本应用与市场展望。 【【【【关键词关键词关键词关键词】】】】MEMS；硅麦克风；驻极体麦克风 【【【【中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号】】】】TN643 【【【【文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码】】】】 B Theory and Application of Mems Microphone HE Zhi-jian ZHENG Hu-ming (Transound Electronics Co., Ltd. Dongguan , Guangdong 523297 ) 【【【【Abstract】】】】This article introduces basic principles,structure and acoustic, electrical performance of MEMS microphone.Briefly describing the MEMS microphone requirement during the IT product using and the market application prospect. 【【【【Key words】】】】 MEMS；；；； MEMS microphone; ECM microphone 【【【【CLC】】】】TN643 【【【【Document code 】】】】 B 微机电系统微机电系统微机电系统微机电系统（（（（Micro Electro Mechanical Systems 简称简称简称简称MEMS）））） 是近年来发展迅速的高新科学技术是近年来发展迅速的高新科学技术是近年来发展迅速的高新科学技术是近年来发展迅速的高新科学技术, 是一种集成微电子和微机械是一种集成微电子和微机械是一种集成微电子和微机械是一种集成微电子和微机械、、、、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置具有微观尺寸的静止或移动部件的装置具有微观尺寸的静止或移动部件的装置具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。。。。1959 年年年年，，，，美国物理学家美国物理学家美国物理学家美国物理学家 R Feynmam 首先首先首先首先提出了制造微型机械的设想提出了制造微型机械的设想提出了制造微型机械的设想提出了制造微型机械的设想。。。。作为最作为最作为最作为最近十几年来新出现的一门技术近十几年来新出现的一门技术近十几年来新出现的一门技术近十几年来新出现的一门技术，，，，MEM对现代科对现代科对现代科对现代科 技的影响技的影响技的影响技的影响，，，，将超过晶体管的出现将超过晶体管的出现将超过晶体管的出现将超过晶体管的出现，，，，堪称为跨时代的技术堪称为跨时代的技术堪称为跨时代的技术堪称为跨时代的技术。。。。MEMS 技术是一种多学科交叉的前沿性领技术是一种多学科交叉的前沿性领技术是一种多学科交叉的前沿性领技术是一种多学科交叉的前沿性领 域域域域，，，，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，，，，如电子如电子如电子如电子、、、、机械机械机械机械、、、、光学光学光学光学、、、、物理学物理学物理学物理学、、、、化学化学化学化学、、、、生物医学生物医学生物医学生物医学、、、、材材材材 料科学料科学料科学料科学、、、、能源科学等能源科学等能源科学等能源科学等。。。。MEMS技术是二十一世纪最具有发展潜力的学科之一技术是二十一世纪最具有发展潜力的学科之一技术是二十一世纪最具有发展潜力的学科之一技术是二十一世纪最具有发展潜力的学科之一。。。。 随着科技潮流的演进，新一代的手机、笔记本电脑等 IT 产品朝着轻薄却多任务的方 向发展，使得新型 IT 产品里每个组件的空间也被相对压缩，所以 IT 产品内部组件的高 度及组件的安装形式即决定了 IT 产品的厚度。。 由于传统的驻极体电容麦克风（ECM)外形尺寸的限制及难以承受自动表面贴装工艺 的高温，所以 ECM 在手机、电脑等消费电子领域正逐步被新型的 MEMS 硅麦克风所替 代。利用 MEMS 技术制造的硅麦克风有着与 ECM 相似的声学性能，但是在耐高温、可 靠性、均匀性、功耗、尺寸以及设计灵活性方面均有较大的优势。此外，由于硅麦克风 MEMS麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年增刊年增刊年增刊年增刊 www.transsound.com 2 能够承受自动表面贴装工艺的高温，所以在一系列的组装工序中，还可与其它元器 件一样进行回流焊。可以省去 ECM 所需要的多道组装加工工序，因此有望降低 IT 产品 组装成本。 工作原理工作原理工作原理工作原理 所谓 MEMS 麦克风就是用 MEMS 技术加工的麦克风产品，也简称为硅麦克风。 MEMS 技术可望实现新型麦克风的高度集成，使制作集信息的采集、处理、模数转换、 数字传输于一体的系统集成芯片（SOC）成为可能。按微电子技术的理念，不仅可以进 行晶圆级生产、产品批量化，而且具有价格便宜、体积小、重量轻、可靠性高等优点。 东莞泉声电子有限公司生产的 TSM-6137/4737 系列 MEMS 麦克风内含两块 CMOS 芯 片：MEMS（微机电系统）芯片和 ASIC（专用 IC）芯片。两颗芯片被封装在一个由 PCB 与金属外壳组合的 SMD 表面贴装器件中。MEMS 芯片主要由硅材料制作的背极和一片 弹性硅膜组成，以其代替 ECM 麦克风中的振膜与背极板组成的电容，可以将声压转换为 电容变化。ASIC 芯片用于检测 MEMS 电容变化，并将其转换为电信号，传递给相关处 理器件，如配套设备的前置放大器或音频输入接口等。 下面图 1 是 MEMS 麦克风的 3D 加工示意图 图 2 是 MEMS 麦克风的硅晶振膜显微放大图 图图图图 1 MEMS硅麦芯片硅麦芯片硅麦芯片硅麦芯片 3D示意图示意图示意图示意图 图图图图 2 硅麦克风硅麦克风硅麦克风硅麦克风振膜振膜振膜振膜图图图图 目前我们使用的大多数麦克风都是驻极体电容式麦克风(ECM)，这种技术已经有几 十年的历史。 传统 ECM 是在一个金属壳体内，包括一片可移动的永久充电振膜和一片与之平行的 刚性背极板以及场效应晶体管(FET)构成，如图 3、4 所示。声波使振膜弯曲，改变振膜 和背极板之间的气隙间距，从而使振膜和背板之间的电容发生改变，这种改变以交变电 压信号的形式输出 [1] ，可以反映出入声口处声波的频率和幅度变化。 MEMS麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年增刊年增刊年增刊年增刊 www.transsound.com 3 图图图图 3 传统麦克风原理示意图传统麦克风原理示意图传统麦克风原理示意图传统麦克风原理示意图 图图图图 4 传统麦克风封装示意图传统麦克风封装示意图传统麦克风封装示意图传统麦克风封装示意图 图图图图 5 MEMS麦克风原理示意图麦克风原理示意图麦克风原理示意图麦克风原理示意图 图图图图 6 MEMS麦克风麦克风麦克风麦克风封装封装封装封装示意图示意图示意图示意图 与 ECM 的高分子聚合材料振动膜及电荷驻极工艺相比，MEMS 麦克风如图 5、6 所 示，采用稳定性极好的硅膜结构并不需要电荷驻极工艺，MEMS 构成的电容元件由 ASIC 中的电荷泵装置提供外部直流偏置电压，稳定的直流偏置电压使硅麦克风在所需的工作 温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数 [2] 。MEMS 芯片的外部偏置电压的灵活调整 性能还支持工程人员设计具有不同灵敏度的麦克风，极大的增加了产品性能设计的灵活 性。 性能特点性能特点性能特点性能特点 针对传统麦克风而言，不论是制作 ECM振膜和背极板的材料，还是 ECM 的永久振 膜充电工艺，由于现有高分子驻极材料的温度局限性，在表面安装必需的高温下，电荷 驻极性能都会因活跃电荷的逃逸显著下降 [3] 。因此，在麦克风和电路板之间必须使用某 种形式的电子连接装置(插座或弹性压缩式连接器)，从而使本已很大的元件总体高度更大 (与目前许多便携式电子设备的纤薄外形相比)。其次，因为 ECM 不能进行表面安装，而 需手工组装，故与能够采用自动分捡(pick and place)组装工艺，能被焊接到电路板上的元 件相比，它的组装成本更高，可靠性更低。 MEMS 麦克风是采用 CMOS 材料和工艺制作的，它们的构成材料硅在本质上 就能够耐受表面安装时所需的高温环境。特殊的封装结构又使这种麦克风系统的总体高 度显著降低，尤其可以制作出称为零高度安装的特殊结构 （见图 9） MEMS麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年增刊年增刊年增刊年增刊 www.transsound.com 4 图图图图 9 MEMS 麦克风零高度安装示意图麦克风零高度安装示意图麦克风零高度安装示意图麦克风零高度安装示意图 MEMS 麦克风具有表面安装和分捡兼容性，不再需要进行手工组装，故而降低了成本， 并提高了可靠性、生产效率和良品率。 MEMS 麦克风还解决了使用 ECM 所遇到的许多机械设计和制造方面的挑战。首先， MEMS 麦克风 IC 结构特性使其占位面积和高度比传统 ECM 尺寸小得多，其次，MEMS 麦克风振膜的尺寸和质量都很小，较之直径 4-6mm 的 ECM振膜，其直径小于 0.5mm， 提高了抗振动性噪音干扰能力（见图 7、8）。 图图图图 7 TSM-6137B（（（（后进声后进声后进声后进声））））外形图外形图外形图外形图 图图图图 8 TSM-6137F（（（（前前前前进声进声进声进声））））外形图外形图外形图外形图 MEMS 麦克风提供的这种设计简单性和生产效率将使手机、PC 机、PDA 和无数其它 消费电子产品的设计人员及制造商能够制造出更强劲、功能更丰富、成本更低的产品， 更好地为广阔电子消费市场服务。 MEMS麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年增刊年增刊年增刊年增刊 www.transsound.com 5 主要参数主要参数主要参数主要参数 图图图图 10 TSM－－－－6137／／／／4737 MEMS麦麦麦麦克风克风克风克风参数表参数表参数表参数表 发展前景发展前景发展前景发展前景 MEMS 技术进一步发展，可以将MEMS 硅麦芯片与具有模数信号转换处理功能的 ASIC 芯片组合成为 MEMS 数字麦克风。目前 PC 所用的内置麦克风包含三部分元件，即 微型驻极体电容器式麦克风、单独的运算前置放大器芯片和模数转换器芯片。把这三种 功能整合在一个数字输出的 MEMS 麦克风芯片上的设想显然很有吸引力。由于实际上所 有的这些麦克风最终都将会附加到模数转换器上，有理由说未来的整个市场都可能对 MEMS 数字麦克风敞开大门，但有鉴于数字麦克风在应对恶劣的声学噪声和电气噪声环 境的能力，目前最适合的还是笔记本电脑与手机类移动通讯产品。泉声电子公司目前已 经开发出的 TSMD-4737F/B 硅数字麦克风便是新型手机与笔记本电脑的最佳声频配套产 品。通过数字信号的传输，音频信号不会因為 RF噪音的干扰而产生失真。这一点对于手 机与笔记本电脑而言都是一項较大的优势。 基于超薄手机及新型号便携电脑的需求增大 以及价格不断下降，可以预测对 MEMS 麦克风的需求方面会有持续增长（见图 11）。 从手机到 VoIP，到 PDA 和 PC，产业分析师们不约而同地预测MEMS 麦克风芯片市 场在未来 10 年可能从 2005 年的至少 8,200 万片(主要用于助听器)增长到将近 10 亿片。 例如，法国里昂的 Yole Development 公司就声称，麦克风芯片市场去年超过 1亿片，到 2010年以前将成长到 8亿片。“那些能够提供小尺寸和易于整合的器件，并会充分利用半 导体在制造和成本结构方面的优势的公司将成为赢家。” 图图图图 11 ECM与与与与MEMS麦克风发展趋势麦克风发展趋势麦克风发展趋势麦克风发展趋势 MEMS麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用麦克风原理与应用 《《《《电声技术电声技术电声技术电声技术》》》》2008年增刊年增刊年增刊年增刊 www.transsound.com 6 【参考文献参考文献参考文献参考文献】 [1] L.L.Beranek 声学 北京 高等教育出版社 1959. [2] 马大猷 沈 山豪 声学手册 北京 科学出版社 2004. [3] 欧阳毅、朱桐华、解希顺、郑虎鸣 “ECM使用寿命及 FEP电阻率的估算”.电声 技术 2005-05 期 作者简介作者简介作者简介作者简介：：：： 贺志坚：男 高级工程师，北京大学毕业，主要研发方向为数字传声器与 MEMS 传 声器，现任东莞泉声电子有限公司总工程师 郑虎鸣：男 高级工程师，西安电子科技大学毕业，主要研发方向为新型驻极体传声 器及驻极材料应用，现任东莞泉声电子有限公司副总经理