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CMOS电容式微麦克风设计与实现

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来源: 作者: 2018-10-29 10:11:16

CMOS电容式微麦克风设计与实现

导读:

随着智能的兴起,对于声音品质和轻薄短小的需求越来越受到大家的重视,近年来广泛应用的噪声抑制及回声消除技术均是为了提高声音的品质。相比于传统的驻极体式麦克风(ECM),电容式微机电麦克风采用硅半导体材料制作,非常适合应用于轻薄短小的便携式装置。

随着智能的兴起,对于声音品质和轻薄短小的需求越来越受到大家的重视,近年来广泛应用的噪声抑制及回声消除技术均是为了提高声音的品质。相比于传统的驻极体式麦克风(ECM),电容式微机电麦克风采用硅半导体材料制作,这便于集成模拟放大电路及ADC(- ADC)电路,实现模拟或数字微机电麦克风元件,以及制造微型化元件,非常适合应用于轻薄短小的便携式装置。本文将针对CMOS微机电麦克风的设计与制造进行介绍,并比较纯MEMS与CMOS工艺微导入麦克风的差异。  电容式微麦克风原理  MEMS微麦克风是一种微型的传感器。其原理是利用声音变化产生的压力梯度使电容式微麦克风的声学振膜受声压干扰而产生形变,进而改变声学振膜与硅背极板之间的电容值。该电容值的变化由电容电压转换电路转化为电压值的输出变化,再经过放大电路将MEMS传感器产生得到电压放大输出,从而将声压信号转化成电压信号。在此必须采用一个高阻抗的电阻为MEMS传感器提供一个偏置电压VPP,借以在MEMS传感器上产生固定电荷,最后的输出电压将与VPP及振膜的形变d成正比。振膜的形变与其刚性有关,刚性越低则形变越大;另一方面,输出电压与d(气隙)成反比,因此气隙越低,则输出电压及灵敏度越优,但这都将受限于MEMS传感器的吸合电压,也就是受限于MEMS传感器静电场的最大极限值(图1)。    CMOS微机电麦克风电路设计  在CMOS微麦克风设计中,电路是一个非常重要的环节,它将影响到微麦克风的操作、感测,以及系统的灵敏度。以图2为例,驻极式电容微麦克风的感应电荷由驻极体材料本身提供的驻极电荷所产生,而凝缩式电容微麦克风则是采用从CMOS的操作电压中抽取一个偏置电压,再通过一个高阻抗电阻提供给微麦克风的声学振膜来提供固定的电荷源。此时,若声学振膜受到声压驱动而产生位移变化,则电极板(感测端)的电压将会发生变化。最后,通过电路放大器将信号放大,则可实现模拟麦克风的电路设计;如果再加上一个- ADC模数转换电路,便可完成数字麦克风的电路设计(一般数字麦克风的输出信号为1比特PDM输出)。    CMOS微机电麦克风工艺分类  从微机电麦克风的制造来看,就目前的技术层面而言,集成CMOS电路的MEMS元件可分为三种。Pre-CMOS MEMS工艺:先制作MEMS结构,再制作CMOS元件;Intra-CMOS MEMS工艺:CMOS与MEMS元件工艺混合制造;Post-CMOS MEMS工艺:先实现CMOS元件,再进行MEMS结构制造。一般而言,前两种方法无法在传统的晶圆厂进行,而Post-CMOS MEMS则可以在半导体晶圆代工厂进行生产。  图3简述了Post-CMOS MEMS的制造方式。在Post-CMOS MEMS工艺中需特别注意,不能让额外的热处理或高温工艺影响到CMOS组件的物理特性及MEMS的应力状态,以免影响到振膜的初始应力。鑫创科技公司克服了诸多的技术难题,完全采用标准的CMOS工艺来同时制造电路元件及微机电麦克风结构。在CMOS部分完成后,将芯片的背面研磨至适当厚度以符合封装要求。最后,利用氢氟酸溶液(HF)去除牺牲氧化物来释放悬浮结构。此外,在设计中还需考虑可完全去除牺牲材料而又不损害麦克风振膜的蚀刻方法,并应避免麦克风振膜与背电极板之间产生粘黏现象。    粘黏现象:由于麦克风振膜与背电极板之间的距离仅为数微米,在该尺寸下,当表面张力、范德华力、静电力、离子键等作用力大于麦克风振膜的回复力时,麦克风振膜将产生永久形变而附着于背电极板上,从而无法产生振动。通常,微机电悬浮结构粘黏现象的主要成因可以分为两类:第一类发生在麦克风振膜释放后,麦克风振膜受到表面张力影响,因而被拉近到与背电极板的距离非常靠近,若此时范德华力或氢键力等表面力大于麦克风振膜的回复力,则结构将产生粘黏现象而无法回复;第二类是悬浮结构在使用中受到外力冲击或是静电力吸引而落入表面力较回复力大的区域,则也会发生粘黏现象。因此,在结构设计上,必须特别考虑麦克风振膜在释放后的结构变形问题,并在重要的结构部位予以强化,利用特殊设计来减少粘黏现象的发生。

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