MEMS麦克风可增强音频系统的质量和可靠性.doc

MEMS麦克风可增强音频系统的质量和可靠性新型MEMS麦克风将高质量音频采集能力赋予便携式设备，同 时能够降低成本、功耗和尺寸己的信息，关键词：MEMS;麦克风；可靠性；音频系统 当今的消费电子设备正处于音频变革的前沿近年来，设计人员专注于开发激动人心的新功能，如无线互联网访问和移动电视等，但 音频功能的发展却相对滞后而如今，这种状况即将改变麦克风技术在多方面获得了增强，包括信噪比(SNR)更高、宽带频 率响应更平坦、灵敏度和相位匹配度更高等，这些技术进步有望推动 新音频功能的开发一一从高清音频和宽带IP语音(voIP)到改进型音 频/视频录制以及用于免提通话的和波束形成这一趋势的根本推动力在于系统设计人员逐渐认识到，音频处理 信号链前端的麦克风性能不佳对整体音质存着深远的影响如果构建 音频子系统的麦克风性能有限，则为了调理和改善音频信号，对下游处理的要求会大大增加这些要求进而会提高功耗及系统和开发成本，并使系统设计更趋 复杂而且，尽管付出了极大努力，音频质量仍然会受制于音频采集 所用麦克风的性能麦克风性能不佳必然会束缚设计人员的手脚，使 其借助波束形成、噪声消除技术和立体声等新音频功能增强最终产品 性能的努力大打折扣。

传统麦克风的性能局限当今消费电子和通信设备的大多数音频子系统都采用驻极体电容 麦兑风(ECM)这种器件包含一个附着一层非导电性预充电材料的固定 背板和一个通常由敷有金属的聚酯薄膜制成的柔性薄膜背板和薄膜 可随声音运动，二者构成一个电容薄膜的运动会改变容值，导致输出电压发生变化一个小型三引 脚JFET安装于麦克风腔内部，充当容性传感器与输出端之间的缓冲 器通常使用一个外部前置放大器向模数转换器(ADc)提供信号一直以来，ECM由于供货来源众多且价格便宜而被系统设计人员 广泛采用ECM的最新发展方向聚焦于降低成本和减小尺寸，但制造 商们在提高麦克风灵敏度、SNR和线性度方面收效甚微因此，ECM技术虽然在过去为消费电子应用提供了成功的解决方 案，但如今却在多方面限制了性能的改善该技术的功耗相对较高， 这是电池供电的移动系统设计人员的一个主耍顾虑电源抑制(PsR) 或抑制电源噪声的能力同样相对较差较差的PSR令设计人员不得不担心LCD等其它系统组件所产生的 噪声，从而削弱了设计人员放置麦克风时的灵活性使用ECM的设计 人员可以增加一个低压差调节器(LDo)来为麦克风产生干净的电源，以 弥补该技术PSR较差的缺点，但这种方法会增加系统元件数量，加大 系统尺寸、功耗和成本。

此外，KCM技术还会引起一些额外的隐性成本使用驻极 体往往需要手工装配，这就会增加制造过程的时间和成本其次，ECM 需要多个其它支持元件，如分立转换器和前置放大器等这些额外元 件会加大电路板面积要求，提高功耗和成本再次，与采用当今光刻半导体工艺制造的器件相比，驻极体无法 提供如此小的容差和如此高的器件间性能一致性ECM的灵敏度和频 率响应随着器件和温度的不同而存较大差异，系统设计人员难以为立 体声等基本应用进行器件匹配为了弥补这种不足，针对此类应用构建多麦克风设计的制造商常 常必须手工挑选ECM,以便更好地匹配器件，而这又会提高成本使 制造过程进一步复杂化为了消除其中的一些问题，系统制造商已经开始改用表贴驻极体 但是，半导体行业正向无铅焊接过渡，由此带来了一些新的障碍无 铅制造所用的更高回流焊接温度会降低驻极体性能，为了减轻回流焊 工艺对驻极体性能的影响，制造商往往不得不进行多次回流焊操作麦克风设计的新方向基于微机电系统(MEMS)技术的新一代麦克风突破了驻极体的许多 局限性这种全新的麦克风设计方法可提供数字或模拟输出，明显改 善了音频采集的质量，适合于要求高保真音频/视频录制、免提、TIA 一920兼容型VoIP、语音识别等功能的应用。

虽然MEMS麦克风的最初应用仅限于助听领域，但分析人士认为， MEMS麦克风技术的最新发展将能使数丙万该类器件在今后几年被集 成到流行的消费电子设备中，如蓝牙听筒、、PC和摄像机等新型麦克风利用MEMS技术将压敏薄膜直接蚀刻到硅片中设计人 员通常将分立传感器与集成前景放大器和ADc的ASIc匹配使用目前 使用的绝大部分MEMS麦克风提供模拟输出，但近期的数字MEMS器件 有望大幅节省成本、功耗和尺寸数字输出麦克风还能极大地抑制Wi — Fi天线和LCD时钟信号等来 源所产生的RF噪声和电磁干扰(EMI)此外，数字输出麦克风还右望 消除模拟信号调理需求，以及模拟信号布线通常需要的传统电缆屏蔽 这些进步将使系统设计人员能够更灵活自巾地安排麦克风在其设计中 的位置，从而最大程度地发挥音频增强功能，如立体声和阵列波束形 成等无论是模拟输出还是数字输出基于MEMS的麦克风都可以消除 ECM带来的诸多隐性成本MEMS麦克风采用光刻半导体工艺制造，器 件与器件之间的MEMS产品容差高度一致采用MEMS麦克风再也无需进行手工装配和手工挑选器件等耗时 的操作此外，无铅焊接所需的更高冋流焊温度也不会影响基于硅的 MEMS麦克风性能，因而最终产品的质量和可靠性得以增强。

同样重要的是，MEMS麦克风制造商现己能够提供支持高质量音频 采集的麦克风例如，ADI公司的数字和模拟输出全向MBMS麦克风可 提供业界最高的61 dB A加权SNR性能更高的SNR使消费电子制造商能够针对会议或高保真音频/ 视频录制等应用提供更好的近场和远场性能ADI公司MEMS麦克风的 典型频率响应在100 Hz至Is kHz以上范围内基本上是平坦的可靠性是麦克风设计的另一个重要关注点，特别是在消费电子应 用中大部分MEMS麦克风制造海将MEMS元件放在封装内部远离封装 声音端口的地方，以便保护薄膜这种方法的弊端是封装内部空间与 声音端门一起构成一个亥姆霍兹谐振器，它会降低频率响应性能为丫解决这一问题，ADII程师开发丫一种MEMS元件，它能承受 160dB以上的声压级冲击，并且保护薄膜免受环境灰尘颗粒的影响 这种稳定可靠的设计使得MEMS元件能够立接放在封装中开放声音端 口的上方，从而消除谐振，确保频率响应极为平坦更平坦的频率响应进而可以使声音听起来更加清晰、自然和悦耳， 同时能令设计人员更轻松地改善远场性能，并增加新特性，如高清音 频或支持兼容TIA920的宽带vOIP等与EcM相比，最新一代MBMS麦克风还能提供出色的噪声抑制能力。

例如，ADI公司的新型模拟输出MEMS麦克风提供70 dBV的PSR，数字 输出MEMS麦克风则提供80 dBFS，二者均为业界最佳这些特性可大 大简化电源设计要求，并明显提高设计人员在电路板布局方面的灵活结束语业界对更高音频性能的需求显然正在不断增长，从蓝牙听筒 和笔记本电脑到和数码摄像机，各种消费电子设备都把它视为制 胜利器之一巾于当前BCM技术的局限，要满足这些需求面临着严重 的障碍借助半导体制造的优势，基于MEMS的麦克风使系统设计人员一一 特别是那些注秉性能、空间受限、需要多麦克风的系统设计人员存机 会在尺寸更小、功耗更低、可靠性更高的表贴封装中实现更高水平的 音频功能，从而更容易集成到音频处理信号链之中。