中心議題：

• 電容式微麥克風原理
• CMOS微機電麥克風電路設計
• CMOS微機電麥克風工藝分類

解決方案：

• 采用從CMOS的操作電壓中抽取一個偏置電壓
• 再加上一個∑-Δ ADC模數轉換電路

suizhezhinengshoujidexingqi
，duiyushengyinpinzhiheqingboduanxiaodexuqiuyuelaiyueshoudaodajiadezhongshi
，jinnianlaiguangfanyingyongdezaoshengyizhijihuishengxiaochujishujunshiweiletigaoshengyindepinzhi。xiangbiyuchuantongdezhujitishimaikefeng（ECM），電容式微機電麥克風采用矽半導體材料製作，這便於集成模擬放大電路及ADC（∑-Δ ADC）電路，實現模擬或數字微機電麥克風元件
，以及製造微型化元件，非常適合應用於輕薄短小的便攜式裝置。本文針對CMOS微機電麥克風的設計與製造進行介紹
，並比較純MEMS與CMOS工藝微導入麥克風的差異。

電容式微麥克風原理

MEMSweimaikefengshiyizhongweixingdechuanganqi。qiyuanlishiliyongshengyinbianhuachanshengdeyalitidushidianrongshiweimaikefengdeshengxuezhenmoshoushengyaganraoerchanshengxingbian，jinergaibianshengxuezhenmoyuguibeijibanzhijiandedianrongzhi。gaidianrongzhidebianhuayoudianrongdianyazhuanhuandianluzhuanhuaweidianyazhideshuchubianhua，zaijingguofangdadianlujiangMEMS傳感器產生得到電壓放大輸出，從而將聲壓信號轉化成電壓信號。在此必須采用一個高阻抗的電阻為MEMS傳感器提供一個偏置電壓VPP，借以在MEMS傳感器上產生固定電荷，最後的輸出電壓將與VPP 及振膜的形變Δd成正比。振膜的形變與其剛性有關
，剛性越低則形變越大；另一方麵，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，但這都將受限於MEMS傳感器的吸合電壓，也就是受限於MEMS傳感器靜電場的最大極限值。

CMOS微機電麥克風電路設計

在CMOS微麥克風設計中，電路是一個非常重要的環節，它將影響到微麥克風的操作、感gan測ce
，以yi及ji係xi統tong的de靈ling敏min度du。駐zhu極ji式shi電dian容rong微wei麥mai克ke風feng的de感gan應ying電dian荷he由you駐zhu極ji體ti材cai料liao本ben身shen提ti供gong的de駐zhu極ji電dian荷he所suo產chan生sheng，而er凝ning縮suo式shi電dian容rong微wei麥mai克ke風feng則ze是shi采cai用yong從congCMOSdecaozuodianyazhongchouquyigepianzhidianya，zaitongguoyigegaozukangdianzutigonggeiweimaikefengdeshengxuezhenmolaitigonggudingdedianheyuan。cishi，ruoshengxuezhenmoshoudaoshengyaqudongerchanshengweiyibianhua，zedianjiban（感測端）的電壓將會發生變化。最後
，通過電路放大器將信號放大，則可實現模擬麥克風的電路設計；如果再加上一個∑-Δ ADC模數轉換電路
，便可完成數字麥克風的電路設計（一般數字麥克風的輸出信號為1比特PDM輸出）。

CMOS微機電麥克風工藝分類

從微機電麥克風的製造來看，就目前的技術層麵而言，集成CMOS電路的MEMS元件可分為三種。Pre-CMOS MEMS工藝：先製作MEMS結構，再製作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS工藝：CMOS與MEMS元件工藝混合製造；Post-CMOS MEMS工藝：先實現CMOS元件，再進行MEMS結構製造。一般而言，前兩種方法無法在傳統的晶圓廠進行，而Post-CMOS MEMS則可以在半導體晶圓代工廠進行生產。

下圖簡述了Post-CMOS MEMS的製造方式。在Post-CMOS MEMS工藝中需特別注意，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的應力狀態，以免影響到振膜的初始應力。鑫創科技公司克服了諸多的技術難題
，完全采用標準的CMOS工藝來同時製造電路元件及微機電麥克風結構。在CMOS部分完成後，將芯片的背麵研磨至適當厚度以符合封裝要求。最後，利用氫氟酸溶液（HF）quchuxishengyanghuawulaishifangxuanfujiegou。ciwai，zaishejizhonghaixukaolvkewanquanquchuxishengcailiaoeryoubusunhaimaikefengzhenmodeshikefangfa，bingyingbimianmaikefengzhenmoyubeidianjibanzhijianchanshengzhannianxianxiang。
 

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粘黏現象：由於麥克風振膜與背電極板之間的距離僅為數微米
，在該尺寸下

，當表麵張力
、範德華力、靜電力、離li子zi鍵jian等deng作zuo用yong力li大da於yu麥mai克ke風feng振zhen膜mo的de回hui複fu力li時shi
，麥mai克ke風feng振zhen膜mo將jiang產chan生sheng永yong久jiu形xing變bian而er附fu著zhe於yu背bei電dian極ji板ban上shang，從cong而er無wu法fa產chan生sheng振zhen動dong。通tong常chang

，微wei機ji電dian懸xuan浮fu結jie構gou粘zhan黏nian現xian象xiang的de主zhu要yao成cheng因yin可ke以yi分fen為wei兩liang類lei：第di一yi類lei發fa生sheng在zai麥mai克ke風feng振zhen膜mo釋shi放fang後hou，麥mai克ke風feng振zhen膜mo受shou到dao表biao麵mian張zhang力li影ying響xiang，因yin而er被bei拉la近jin到dao與yu背bei電dian極ji板ban的de距ju離li非fei常chang靠kao近jin
，若ruo此ci時shi範fan德de華hua力li或huo氫qing鍵jian力li等deng表biao麵mian力li大da於yu麥mai克ke風feng振zhen膜mo的de回hui複fu力li
，則ze結jie構gou將jiang產chan生sheng粘zhan黏nian現xian象xiang而er無wu法fa回hui複fu
；第di二er類lei是shi懸xuan浮fu結jie構gou在zai使shi用yong中zhong受shou到dao外wai力li衝chong擊ji或huo是shi靜jing電dian力li吸xi引yin而er落luo入ru表biao麵mian力li較jiao回hui複fu力li大da的de區qu域yu，則ze也ye會hui發fa生sheng粘zhan黏nian現xian象xiang。因yin此ci，在zai結jie構gou設she計ji上shang，必bi須xu特te別bie考kao慮lv麥mai克ke風feng振zhen膜mo在zai釋shi放fang後hou的de結jie構gou變bian形xing問wen題ti，並bing在zai重zhong要yao的de結jie構gou部bu位wei予yu以yi強qiang化hua，利li用yong特te殊shu設she計ji來lai減jian少shao粘zhan黏nian現xian象xiang的de發fa生sheng。

純MEMS與CMOS工藝的差異

多數企業所開發的MEMS微麥克風主要分為兩種形態：第一種是利用專業的MEMS代工廠製造出MEMS IC
，再加上一個ASIC放大器，將MEMS IC及ASIC IC用SIP封裝方式封裝成MEMS麥克風芯片。這一部分在IC封裝過程中必須保護振膜不被破壞，其封裝成本相對較高；另一種是先利用CMOS晶圓廠製造出ASIC部分，再利用後工藝來形成MEMS的結構部分。其MEMS工藝技術目前似乎還無法在標準的CMOS晶圓廠完成
，這主要是由於振膜需沉積高分子聚合物材料，而高分子聚合物材料還未用於目前的標準半導體IC工藝。另外

，在CMOS工藝完成後
，需分別在芯片的正麵蝕刻出振膜並在其背麵蝕刻出腔體及聲學孔。該步驟通過載體晶圓（Carrier Wafer）來完成，在標準的CMOS鑄造廠目前尚未創建出這樣的環境。

目前，最大的課題是如何突破這兩種形態MEMS麥克風的封裝技術。其專利均由美國的微麥克風企業所掌控，因此
，MEMS麥克風市場占有率主要分布在少數企業手上。

有廠家采取的方式是在CMOS工藝完成後，從芯片的背麵形成腔體和聲學孔作為MEMS結構的釋放。這一部分無需使用特殊的機器和材料

，可在現有的CMOS晶圓廠內完成，因而能夠降低開發成本。另外，有些產品可直接利用晶圓級封裝技術將CMOS電路與微麥克風集成在同一塊芯片上，同樣可避免在封裝過程中對振膜產生破壞。

MEMS麥克風目前已經取代ECM麥克風被廣泛應用於手機中（尤其是智能手機），其主要原因是MEMS麥克風具有耐候性佳

、尺寸小及易於數字化的優點。MEMS麥mai克ke風feng采cai用yong半ban導dao體ti材cai質zhi
，特te性xing穩wen定ding，不bu會hui受shou到dao環huan境jing溫wen濕shi度du的de影ying響xiang而er發fa生sheng改gai變bian
，因yin而er可ke以yi維wei持chi穩wen定ding的de音yin質zhi。電dian子zi產chan品pin組zu裝zhuang在zai過guo錫xi爐lu時shi的de溫wen度du高gao達da 260℃，常會破壞ECM麥克風的振膜而必須返工
，這將增加額外的成本。采用MEMS麥克風則不會因為錫爐的高溫而影響到材質
，適合於SMT的自動組裝。麥克風信號在數字化後
，可以對其進行去噪

、聲(sheng)音(yin)集(ji)束(shu)及(ji)回(hui)聲(sheng)消(xiao)除(chu)等(deng)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)優(you)異(yi)的(de)通(tong)話(hua)品(pin)質(zhi)。目(mu)前(qian)已(yi)有(you)多(duo)款(kuan)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)化(hua)技(ji)術(shu)，在(zai)功(gong)能(neng)手(shou)機(ji)中(zhong)也(ye)有(you)加(jia)速(su)采(cai)用(yong)的(de)跡(ji)象(xiang)。此(ci)外(wai)，筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)也(ye)是(shi)目(mu)前(qian)使(shi)用(yong)MEMS麥克風的主流，而機頂盒生產企業同樣在積極嚐試將MEMS麥克風應用於開發聲控型機頂盒。