電容式麥克風的中心議題：

• 電容式微麥克風原理

電容式麥克風的解決方案：

• 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
• 純MEMS與CMOS工藝的差異

隨sui著zhe智zhi能neng手shou機ji的de興xing起qi
，對dui於yu聲sheng音yin品pin質zhi和he輕qing薄bo短duan小xiao的de需xu求qiu越yue來lai越yue受shou到dao大da家jia的de重zhong視shi，近jin年nian來lai廣guang泛fan應ying用yong的de噪zao聲sheng抑yi製zhi及ji回hui聲sheng消xiao除chu技ji術shu均jun是shi為wei了le提ti高gao聲sheng音yin的de品pin質zhi。相xiang比bi於yu傳chuan統tong的de駐zhu極ji體ti式shi麥mai克ke風feng（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(cong)CMOS的de操cao作zuo電dian壓ya中zhong抽chou取qu一yi個ge偏pian置zhi電dian壓ya，再zai通tong過guo一yi個ge高gao阻zu抗kang電dian阻zu提ti供gong給gei微wei麥mai克ke風feng的de聲sheng學xue振zhen膜mo來lai提ti供gong固gu定ding的de電dian荷he源yuan。此ci時shi，若ruo聲sheng學xue振zhen膜mo受shou到dao聲sheng壓ya驅qu動dong而er產chan生sheng位wei移yi變bian化hua，則ze電dian極ji板ban（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）去qu除chu犧xi牲sheng氧yang化hua物wu來lai釋shi放fang懸xuan浮fu結jie構gou。此ci外wai
，在zai設she計ji中zhong還hai需xu考kao慮lv可ke完wan全quan去qu除chu犧xi牲sheng材cai料liao而er又you不bu損sun害hai麥mai克ke風feng振zhen膜mo的de蝕shi刻ke方fang法fa，並bing應ying避bi免mian麥mai克ke風feng振zhen膜mo與yu背bei電dian極ji板ban之zhi間jian產chan生sheng粘zhan黏nian現xian象xiang。
                                  
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：diyileifashengzaimaikefengzhenmoshifanghou
，maikefengzhenmoshoudaobiaomianzhangliyingxiang，yinerbeilajindaoyubeidianjibandejulifeichangkaojin
，ruocishifandehualihuoqingjianlidengbiaomianlidayumaikefengzhenmodehuifuli，zejiegoujiangchanshengzhannianxianxiangerwufahuifu
；dierleishixuanfujiegouzaishiyongzhongshoudaowailichongjihuoshijingdianlixiyinerluorubiaomianlijiaohuifulidadequyu
，zeyehuifashengzhannianxianxiang。yinci

，zaijiegoushejishang，bixutebiekaolvmaikefengzhenmozaishifanghoudejiegoubianxingwenti，bingzaizhongyaodejiegoubuweiyuyiqianghua
，liyongteshushejilaijianshaozhannianxianxiangdefasheng。

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yongMEMS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。