CMOS 硅咪頭原理與電容式微咪頭原理

CMOS 硅咪頭原理

隨著 智能手機(jī) 的興起，對(duì)于聲音品質(zhì)和輕薄短小的需求越來(lái)越受到大家的重視，近年來(lái)廣泛應(yīng)用的 噪聲抑 制及回聲消除 技術(shù)均是為了提高聲音的品質(zhì)。

相比于傳統(tǒng)的 駐極體 式咪頭 (ECM )，電容式微機(jī)電 咪頭 采用硅半導(dǎo)體材料制作，這便于集成模擬放大電路及 ADC( ∑-? ADC) 電路，實(shí)現(xiàn)模擬或數(shù)字微機(jī)電咪頭 元件， 以及制造微型化元件，非常適合應(yīng)用于輕薄短小的便攜式裝置。

電容式微咪頭原理

MEMS 微咪頭是一種微型的傳感器。其原理是利用聲音變化產(chǎn)生的力梯度使電容式微咪頭的聲學(xué)振 膜受聲壓干擾而產(chǎn)生形變，進(jìn)而改變學(xué)振膜與硅背極板之間的電容值。

該電容值的變化由電容電壓轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)化為電壓值的輸出變化， MEMS 傳感器產(chǎn)生得到電壓放大輸出， 從而將聲壓信號(hào) 轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。在此必須采用一個(gè)高阻抗的電阻為 MEMS 傳感器提供一個(gè)偏置電壓 VPP ，借以在 MEM S 傳感器上產(chǎn)生固定電荷， 最后的輸出電壓將與 VPP 及振膜的形變 ? d 成正比。

振膜的形變與其剛性有關(guān)， 剛性越低則形變?cè)酱?另一方面，輸出電壓與 d(氣隙 )成反比，因此氣隙越低，則輸出電壓及靈敏度越優(yōu)， 但這都將受限于 MEMS 傳感器的吸合電壓，也就是受限于 MEMS 傳感器靜電場(chǎng)的最大極限值

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CMOS 微機(jī)電咪頭電路設(shè)計(jì)

在 CMOS 微咪頭設(shè)計(jì)中，電路是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它將影響到微咪頭的操作、感測(cè)，以及系統(tǒng)的 靈敏度。

駐極式電容微咪頭的感應(yīng)電荷由駐極體材料本身提供的駐極電荷所產(chǎn)生，而凝縮 式電容微咪頭則是采用從 CMOS 的操作電壓中抽取一個(gè)偏置電壓， 再通過(guò)一個(gè)高阻抗電阻提供給微麥克 風(fēng)的聲學(xué)振膜來(lái)提供固定的電荷源。

此時(shí)，若聲學(xué)振膜受到聲壓驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生位移變化，則電極板 的電壓將會(huì)發(fā)生變化。最后，通過(guò)電路放大器將信號(hào)放大，則可實(shí)現(xiàn)模擬咪頭的電路設(shè)計(jì);

如果再加上 一個(gè) ∑-? ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路， 便可完成數(shù)字咪頭的電路設(shè)計(jì) (一般數(shù)字咪頭的輸出信號(hào)為 1 比特 PDM 輸出 )。從微機(jī)電咪頭的制造來(lái)看，就目前的技術(shù)層面而言，集成 CMOS 電路的 MEMS 元件可分為三種。

工藝：先制作 MEMS 結(jié)構(gòu)，再制作 CMOS 元件; Intra-CMOS MEMS

工藝： CMOS 與 M EMS 元件工藝混合制造; Post-CMOS MEMS

工藝：先實(shí)現(xiàn) CMOS 元件，再進(jìn)行 MEMS 結(jié)構(gòu)制造。

一般 而言，前兩種方法無(wú)法在傳統(tǒng)的晶圓廠進(jìn)行， 而 Post-CMOS MEMS 則可以在半導(dǎo)體晶圓代工廠進(jìn)行生產(chǎn)。

Post-CMOS MEMS 的制造方式。在 Post-CMOS MEMS 工藝中需特注意，不能讓額外的 熱處理或高溫工藝影響到 CMOS 組件的物理特性及 MEMS 的應(yīng)力狀態(tài)，以免影響到振膜的初始應(yīng)力。