硅MEMS麦克风时代即将到来

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关键字: 硅MEMS麦克风，ECM，驻极体麦克风，Knowles

两年前，市场上只有三或四家硅MEMS麦克风制造商。其中，Knowles Acoustics执牛耳，其后是 Akustica、Pulse Engineering的Sonion MEMS部门和英飞凌科技。现在，玩家名单至少有一打。

这些制造商都在为即将到来的市场井喷制订设计和市场营销计划。事实上，很多制造商认为硅MEMS麦克风是MEMS加速器之后的又一个快速增长的商业MEMS IC市场。

除在手机和笔记本电脑上的广泛应用之外，硅MEMS麦克风的大量其它新应用不久也将涌现出来。它们包括：手持设备、耳机、录音机、摄像机、用于VoIP的笔记本电脑、数码相机、MP3播放机和交互式游戏机。广泛消费电子产品的语音控制被认为是一个利润丰厚的市场。汽车上的免提通信和导航设备也是个具有增长潜力的市场。

很多品牌公司如ADI、飞思卡尔、NTT Dokomo、恩智浦、欧姆龙、松下和ST(特别是那些在音频和MEMS技术两个领域都有独特技能的公司)都已经准备好要在硅MEMS麦克风市场大干一场。其它公司(如GoerTek Acoustics)则是典型的那种也想参与该市场竞争的新兴中国公司。许多这些公司都已经预先宣布了一些针对该市场的新产品设计计划。

驻极体麦克风(ECM)( 如日本Hosiden公司销售的ECM)比硅MEMS麦克风要便宜得多。技术成熟的ECM采用了由一个电容感应面和场效应管(FET)组成的简单结构（见图1）。

取决于订购批量和性能要求，硅MEMS麦克风的平均售价在1.5到2美元之间，约比ECM贵三倍。但硅MEMS麦克风可提供一些独特的优势，如更小的尺寸和更高的集成度，这些特性可支持实现更大的设计创新。硅MEMS麦克风的能耗也小得多(约为目前ECM的一半)。

硅MEMS麦克风还可提供更强的抗射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)能力，而且它们还能够承受表面贴装工艺的高温度。尽管ECM制造商声称他们的设计也能承受SMT回流工艺的高温度，但硅MEMS麦克风制造商指出，由于ECM在其构造中采用了有机材料，因此在SMT工艺后，其性能特性会有漂移。

由于可以采用大批量CMOS制造工艺，因此一旦硅MEMS麦克风市场打开和开足马力投入量产，有可能将硅MEMS麦克风的成本做得更低(甚至比ECM还便宜)。

单片还是多片结构？

大多数制造商在其麦克风设计中采用两个芯片，一个用于构造换能器，另一个(通常是一个ASIC)用于信号调理。但也有例外，如Akustica的CMOS麦克风采用了一个单芯片设计，Pulse Engineering的Sonion MEMS部门采用了三芯片结构。它们都各有利弊。

单片方法更容易以更低的成本在同一个裸片上整合进更多功能。在工艺流程、封装和测试等环节，单片方法与标准CMOS工艺的兼容性也更好。单片结构有更高的可靠性，因为它没有连接两个或多个芯片的邦定线。但另一方面，它又限制了用于满足不同应用需求的设计灵活性。

最小的硅MEMS芯片来自Akustica，仅为1×1mm，分别是模拟输出AKU1126 Napoli和AKU2202C Shadyside麦克风（图2）。其小尺寸使得设计师可以采用多个(而非一个)麦克风，从而允许在诸如蓝牙耳机或手机等产品上实现环境噪声消除功能。

硅制造工艺带来的小封装还允许制造商在麦克风上实现一些紧密匹配的关键特性，如灵敏度和相位响应。这样的硅麦克风比其它麦克风的制造容差要小得多。

两个或多个麦克风阵列可提供方向敏感性，这使得手机等设备可在嘈杂的周围环境中将真正用户的声音输入隔离出来。范例应用包括汽车上的免提通信和导航设备。

创新仍在继续中

与此同时，硅MEMS麦克风技术继续取得突破。ADI的ADMP421/401数字/模拟输出麦克风包括一个尘埃过滤器，它是采用在麦克风的膜上覆盖一个制有微孔的硅罩实现的。这些10um深、6um宽的孔可非常有效地把尘埃颗粒和其它污染物隔离在外，以保护精致的MEMS膜不被侵蚀。

这一设计带来了以下高性能：62dB(典型)信噪比(SNR)、可分别抵抗20kg机械和160dB声压冲击、电源抑制比(PSRR)可分别达到80dB(数字版)和50dB(模拟版)。ADI声称，这些指标代表着业界目前的最高水平（图3）。

欧胜微电子在其WM7110/7120硅MEMS麦克风中用氮化硅取代多晶硅作为换能器元件。该公司声称，氮化硅具有更低的应力和应变系数，从而可带来更高的可靠性。欧胜还提供一种具有±1dB灵敏度误差的硅MEMS麦克风。“我们已经拥有噪声消除解决方案，”欧胜营销团队的Nigel Burgess说。

“我们正在研制一款±1dB灵敏度误差的更高精确度硅MEMS麦克风，对于多麦克风阵列来说，它是一个重要参数，”Pulse Engineering的Sonion MEMS部门副总裁兼总经理Jacob Philipsen说，“大多数其它硅MEMS麦克风的灵敏度误差是±3dB。对手持设备和手机的噪声消除来说，双麦克风配置是重要的。能不随时间改变的良好声音幅度和相位响应是很关键的。”

除了提供更小的灵敏度误差以外，还有其它应对背景噪声的方法。例如，Pulse Engineering的Sonion MEMS部门就提供一款用l.5mm厚橡胶壳把硅MEMS麦克风包裹起来并进行声学密封的产品。该橡胶壳提供完整的机械和静电(ESD)保护，同时还实现了对尘埃颗粒的隔绝。该公司表示，其MEMS麦克风的结构专门针对听觉保护进行了优化（图4）。