如何利用MEMS麥克風改善移動設備聲學性能

MEMS(微型機電系統(tǒng))麥克風外形較小，與目前廣泛采用的駐極體麥克風相比，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計自由度和系統(tǒng)成本優(yōu)勢。

想象一下不到普通麥克風一半大小并帶有集成音頻信號處理功能，MEMS麥克風可以作為單芯片手機一個集成部分。新型MEMS麥克風的全部潛能還有待挖掘，但是第一批采用這種技術的產(chǎn)品已經(jīng)在多種應用中體現(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。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)麥克風都是駐極體電容器麥克風(ECM)，這種技術已經(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)定的聲學和電氣參數(shù)。MEMS芯片的外部偏置還支持設計具有不同敏感性的麥克風。

傳統(tǒng)ECM的尺寸通常比MEMS麥克風大，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。在駐極體中，必須添加IC，而在MEMS麥克風中，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用尤其重要，而且對所有與移動電話工作原理類似的設備(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。