CMOS 硅咪头原理与电容式微咪头原理
CMOS 硅咪头原理与电容式微咪头原理
CMOS 硅咪头原理
随着 智能手机 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 式咪头 (ECM )，电容式微机电 咪头 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咪头 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。
电容式微咪头原理
MEMS 微咪头是一种微型的传感器。其原理是利用声音变化产生的力梯度使电容式微咪头的声学振 膜受声压干扰而产生形变，进而改变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， 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 MEM S 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
CMOS 微机电咪头电路设计
在 CMOS 微咪头设计中，电路是一个非常重要的环节，它将影响到微咪头的操作、感测，以及系统的 灵敏度。
驻极式电容微咪头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 式电容微咪头则是采用从 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 的电压将会发生变化。最后，通过电路放大器将信号放大，则可实现模拟咪头的电路设计;
如果再加上 一个 ∑-? ADC 模数转换电路， 便可完成数字咪头的电路设计 (一般数字咪头的输出信号为 1 比特 PDM 输出 )。从微机电咪头的制造来看，就目前的技术层面而言，集成 CMOS 电路的 MEMS 元件可分为三种。
PreCMOS MEMS
工艺：先制作 MEMS 结构，再制作 CMOS 元件; Intra-CMOS MEMS
工艺： CMOS 与 M EMS 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。
Post-CMOS MEMS 的制造方式。在 Post-CMOS MEMS 工艺中需特注意，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。
奥仕电子有限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咪头结构。
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咪头振膜的 蚀刻方法，并应避免咪头振膜与背电极板之间产生粘黏现象。
粘黏现象：由咪头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咪头振膜的回复力时，咪头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：第一类发生在咪头振膜释 放后，咪头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 力等表面力大于咪头振膜的回复力，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， 必须特别考虑咪头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。
纯 MEMS 与 CMOS 工艺的差异 多数企业所开发的 MEMS 微咪头主要分为两种形态：
第一种是利用专业的 MEMS 代工厂制造出 MEMS IC ，再加上一个ASIC 放大器，将 MEMS IC 及 ASIC IC 用 SIP 封装方式封装成MEMS 咪头芯片。
这 一部分在 IC 封装过程中必须保护振膜不被破坏，其封装成本相对较高;
另一种是先利用CMOS 晶圆厂制 造出 ASIC 部分，再利用后工艺来形成 MEMS 的结构部分。
其 MEMS 工艺技术目前似乎还无法在标准的
CMOS 晶圆厂完成，这主要是由于振膜需沉积高分子聚合物材料，而高分子聚合物材料还未用于目前的标 准半导体 IC 工艺。
另外，在 CMOS 工艺完成后，需分别在芯片的正面蚀刻出振膜并在其背面蚀刻出腔体 及声学孔。
该步骤通过载体晶圆 (Carrier Wafer) 来完成， 在标准的 CMOS 铸造厂目前尚未创建出这样的环 境。
目前，最大的课题是如何突破这两种形态 MEMS 咪头的封装技术。 其专利均由美国的微咪头企业所掌控，因此， MEMS 咪头市场占有率主要分布在少数企业手上。
奥仕电子采取的方式是在 CMOS 工艺完成后，从芯片的背面形成腔体和声学孔作为MEMS 结构的释放。
这一部分无需使用特殊的机器和材料，可在现有的CMOS 晶圆厂内完成，因而能够降低开发成本。
另外，奥仕电子的产品可直接利用晶圆级封装技术将 CMOS 电路与微咪头集成在同一块芯片上，同样可避免在封装过程中对振膜产生破坏 MEMS 咪头目前已经取代 ECM 咪头被广泛应用于手机中 (尤其是智能手机 )，其主要原因是 MEMS 咪头具有耐候性佳、尺寸小及易于数字化的优点。
MEMS 咪头采用半导体材质，特性稳定，不会受到环境温湿度的影响而发生改变，因而可以维持稳定的音质。
电子产品组装在过锡炉时的温度高达260 ℃，常会破坏 ECM 咪头的振膜而必须返工，这将增加额外的成本。
采用MEMS 咪头则不会因为锡炉的高温而影响到材质，适合于 SMT 的自动组装。
咪头信号在数字化后，可以对其进行去噪、声音集束及回声消除等信号处理，从而能够提供优异的通话品质。目前已有多款智能手机采用数字化技术，在功能手机中也有加速采用的迹象。
此外， 笔记本电脑也是目前使用MEMS 咪头的主流， 而机顶盒生产企业同样在积极尝试将 MEMS 咪头应用于开发声控型机顶盒。
