MEMS麥克風(fēng)工作原理及應(yīng)用于助聽器的前景

由于人口老齡化和聽力喪失人群的明顯增加，助聽器市場不斷增長，但其顯眼的外形和很短的電池壽命讓許多人失去興趣。隨著聽力喪失現(xiàn)象變得更加常見，人們將尋求更加小巧、更有效、更高品質(zhì)的助聽器。助聽器信號(hào)鏈的前端是麥克風(fēng)，它檢測語音和其他環(huán)境噪聲。因此，改善音頻捕捉可以提高信號(hào)鏈整體的性能并降低功耗。

麥克風(fēng)是把聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供助聽器音頻信號(hào)鏈處理的傳感器。有許多技術(shù)可用于這種聲電轉(zhuǎn)換，但電容麥克風(fēng)是其中尺寸最小、精度最高的一類麥克風(fēng)。電容麥克風(fēng)中的薄膜隨著聲學(xué)信號(hào)而運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)引起電容變化，進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào)。

駐極體電容麥克風(fēng)(ECM)是助聽器中使用最廣泛的技術(shù)。ECM采用可變電容，其一個(gè)板由具有永久電荷的材料制成。ECM在當(dāng)今助聽行業(yè)聲名顯赫，但這些設(shè)備背后的技術(shù)自1960年代以來并無多大變化。其性能、可重復(fù)性以及相對于溫度和其他環(huán)境條件的穩(wěn)定性不是非常好。助聽器以及其他注重高性能和一致性的應(yīng)用，為新型麥克風(fēng)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。新技術(shù)應(yīng)當(dāng)能改善上述缺點(diǎn)，讓制造商生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更加可靠的設(shè)備。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是電容麥克風(fēng)變革的中堅(jiān)力量。MEMS麥克風(fēng)利用了過去數(shù)十年來硅技術(shù)的巨大進(jìn)步，包括超小型制造結(jié)構(gòu)、出色的穩(wěn)定性和可重復(fù)性、低功耗，所有這些都已成為硅工業(yè)不折不扣的要求。迄今為止，MEMS麥克風(fēng)的功耗和噪聲水平還是相當(dāng)高，不宜用于助聽器，但滿足這兩項(xiàng)關(guān)鍵要求的新器件已經(jīng)出現(xiàn)，正在掀起助聽器麥克風(fēng)的下一波創(chuàng)新浪潮。

MEMS麥克風(fēng)工作原理

像ECM一樣，MEMS麥克風(fēng)也是電容麥克風(fēng)。MEMS麥克風(fēng)包含一個(gè)靈活懸浮的薄膜，它可在一個(gè)固定背板之上自由移動(dòng)，所有元件均在一個(gè)硅晶圓上制造。該結(jié)構(gòu)形成一個(gè)可變電容，固定電荷施加于薄膜與背板之間。傳入的聲壓波通過背板中的孔，引起薄膜運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)量與壓縮和稀疏波的幅度成比例。這種運(yùn)動(dòng)改變薄膜與背板之間的距離，進(jìn)而改變電容，如圖1所示。在電荷恒定的情況下，此電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

圖1. MEMS麥克風(fēng)的電容隨聲波的幅度而變化

在硅晶圓上制造麥克風(fēng)傳感器元件的工藝與其他集成電路(IC)的制造工藝相似。與ECM制造技術(shù)不同，硅制造工藝非常精密且高度可重復(fù)。一個(gè)晶圓上制造的所有MEMS麥克風(fēng)元件都具有相同的性能，不僅如此，而且在該產(chǎn)品的多年生命周期中，不同晶圓上的每一個(gè)元件也都具有相同的性能。

硅制造是在嚴(yán)格控制的環(huán)境中，利用一系列沉積和蝕刻工藝，產(chǎn)生金屬和多晶硅的形狀集合以形成MEMS麥克風(fēng)。生產(chǎn)MEMS麥克風(fēng)涉及到的幾何結(jié)構(gòu)是微米(μm)級。聲波所經(jīng)過的背板中的孔直徑可以小于10 μm，薄膜厚度可以是1 μm左右。薄膜與背板之間的間隙僅有數(shù)微米。圖2所示為典型MEMS麥克風(fēng)傳感器元件的SEM圖像，從頂部(薄膜)觀看。圖3所示為該麥克風(fēng)元件中部的截面圖。在該設(shè)計(jì)中，聲波通過元件底部的空腔進(jìn)入麥克風(fēng)，并穿過背板孔以激勵(lì)薄膜。

圖2. MEMS麥克風(fēng)的SEM圖像

圖3. MEMS麥克風(fēng)的橫截面

由于幾何結(jié)構(gòu)在制造工藝中受到嚴(yán)格控制，因此不同麥克風(fēng)的實(shí)測性能具有高度可重復(fù)性。利用MEMS技術(shù)構(gòu)建麥克風(fēng)的另一個(gè)優(yōu)勢是薄膜極小，因此其質(zhì)量非常小，相比于薄膜質(zhì)量大得多的ECM，MEMS麥克風(fēng)不易受振動(dòng)影響。

發(fā)展、可重復(fù)性和穩(wěn)定性

MEMS麥克風(fēng)已發(fā)展到很高的水平，它已成為很多要求小尺寸和高性能的音頻捕捉應(yīng)用的默認(rèn)選擇，但大部分商用級麥克風(fēng)并不適合助聽器行業(yè)，因?yàn)楹笳咭笮〉枚嗟钠骷?、更低的功耗、更好的噪聲性能以及更高的可靠性、環(huán)境穩(wěn)定性和器件間可重復(fù)性。MEMS麥克風(fēng)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)能夠滿足上述所有要求：超小型封裝、極低功耗以及極低的等效輸入噪聲。

硅制造工藝的嚴(yán)格控制措施令MEMS麥克風(fēng)的穩(wěn)定性和器件間性能差異顯著優(yōu)于ECM。圖4所示為相同型號(hào)的數(shù)個(gè)MEMS麥克風(fēng)的歸一化頻率響應(yīng)，圖5所示為不同ECM的歸一化頻率響應(yīng)。各MEMS麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)幾乎一致，而ECM的頻率響應(yīng)則顯示出相當(dāng)大的器件間差異，尤其是在高頻和低頻時(shí)。

圖4. 數(shù)個(gè)MEMS麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)

圖5. 三組ECM麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)

MEMS麥克風(fēng)還表現(xiàn)出卓越的寬溫度范圍穩(wěn)定性。圖6所示為環(huán)境溫度在–40°C至+85°C之間改變時(shí)靈敏度的變化。黑線顯示：在MEMS麥克風(fēng)的溫度范圍內(nèi)，靈敏度變化小于0.5 dB;而ECM則表現(xiàn)出最多8 dB的變化。

圖6. 對振動(dòng)的靈敏度與溫度的關(guān)系：MEMS與ECM

相比于ECM，MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的電源抑制性能顯著提高，典型電源抑制比(PSRR)優(yōu)于-50 dB。在ECM上，輸出信號(hào)和偏置電壓(電源)共用一個(gè)引腳，電源上的任何紋波都會(huì)直接出現(xiàn)在輸出信號(hào)上。MEMS麥克風(fēng)優(yōu)異的PSRR為音頻電路設(shè)計(jì)提供的自由度是ECM無法比擬的。器件數(shù)量和系統(tǒng)成本得以降低。

在助聽器之類電池供電的微型應(yīng)用中，每毫瓦功耗都至關(guān)重要。當(dāng)助聽器正在工作時(shí)，麥克風(fēng)無法通過周期供電來節(jié)省功耗。因此，麥克風(fēng)的工作功耗極為重要。采用典型的鋅空氣電池電壓(0.9 V–1.4 V)供電時(shí)，助聽器所用典型ECM麥克風(fēng)的功耗為35 μA。而在相同電壓下，助聽器所用MEMS麥克風(fēng)的功耗可以降至一半，使得助聽器裝一次電池可以使用更長時(shí)間。

最新一代MEMS麥克風(fēng)擁有助聽器行業(yè)要求的出色噪聲和功耗性能。ADI公司利用20多年的MEMS技術(shù)經(jīng)驗(yàn)來打造可用于助聽器市場的高性能麥克風(fēng)。典型全向MEMS麥克風(fēng)的等效輸入噪聲(EIN)特性為27.5 dB SPL(A加權(quán)、8 kHz帶寬)，適合助聽?wèi)?yīng)用。1/3倍頻程EIN噪聲性能通常用于指定助聽器用麥克風(fēng)，在低頻時(shí)非常出色，如圖7所示。實(shí)現(xiàn)如此高的噪聲性能只需17 μA功耗(采用典型助聽器電池電壓)。麥克風(fēng)提供微型封裝，總體積小于7.5 mm3，如圖8所示。

圖7. MEMS麥克風(fēng)的1/3倍頻程噪聲

圖8. 助聽器用全向MEMS麥克風(fēng) a) 仰視圖;b) 俯視圖;c) 便于手工焊接的封裝俯視圖

結(jié)論

新型高性能、低功耗MEMS麥克風(fēng)證明它將是適用于助聽器的下一代麥克風(fēng)技術(shù)。MEMS麥克風(fēng)在性能上可與許多助聽器ECM相競爭，并在很多方面超過ECM技術(shù)，例如可重復(fù)性、穩(wěn)定性、尺寸、可制造性和功耗等。MEMS麥克風(fēng)是助聽器的未來，而未來已經(jīng)到來。