CMOS 硅咪頭原理與電容式微咪頭原理

CMOS 硅咪頭原理

隨著(zhù) 智能手機 的興起，對于聲音品質(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)。

相比于傳統的 駐極體 式咪頭 (ECM )，電容式微機電 咪頭 采用硅半導體材料制作，這便于集成模擬放大電路及 ADC( ∑-? ADC) 電路，實(shí)現模擬或數字微機電咪頭 元件， 以及制造微型化元件，非常適合應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換 電路轉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 轉化成電壓信號。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)， 剛性越低則形變越大;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 微機電咪頭電路設計

在 CMOS 微咪頭設計中，電路是一個(gè)非常重要的環(huán)節，它將影響到微咪頭的操作、感測，以及系統的 靈敏度。

駐極式電容微咪頭的感應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)電路放大器將信號放大，則可實(shí)現模擬咪頭的電路設計;

如果再加上 一個(gè) ∑-? ADC 模數轉換電路， 便可完成數字咪頭的電路設計 (一般數字咪頭的輸出信號為 1 比特 PDM 輸出 )。從微機電咪頭的制造來(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 結構，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 CMOS 元件，再進(jìn)行 MEMS 結構制造。

一般 而言，前兩種方法無(wú)法在傳統的晶圓廠(chǎng)進(jìn)行， 而 Post-CMOS MEMS 則可以在半導體晶圓代工廠(chǎng)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 的應力狀態(tài)，以免影響到振膜的初始應力。