MEMS麥克風外形較小，與目前廣泛採用的駐極體麥克風(Electret Microphone)相比，具備更強的耐熱、抗振和防射頻干擾性能。強大的耐熱性能允許其採用全自動SMT製程，而大多數駐極體麥克風則需手工焊接。這不僅能簡化生產流程，降低生產成本，而且能夠提供更高的設計自由度和系統成本優勢。
願景
想像一下尺寸不到手錶大小並帶有整合麥克風的微型單晶片手機，還有內置麥克風的單晶片藍牙耳機。同時，想像一下比普通麥克風小的多並帶有整合回聲抵消和雜訊消除系統的麥克風。
新型MEMS(微機電系統)技術的市場潛力包括麥克風還有許多仍待挖掘。但是第一批採用這種技術的產品如MEMS 麥克風已經在多種應用中體現出了諸多優勢，特別是中高階手機。
半導體感測器逐漸替代傳統感測器
MEMS及其他半導體系統包含光學、電磁、射頻、機械和微流體工作原理。基於這些系統的感測器有溫度、磁場、指尖、加速度、壓力或氣流感測器。
基於MEMS技術的壓力感測器包括複雜的汽車輪胎壓力監測系統、簡單的用於測高計和MEMS麥克風的消費設備壓力感測器。半導體感測器不僅替代了傳統感測器，而且打開了新的應用領域，比如消費裝置(遊戲控制器或手機)中的加速度感測器。MEMS麥克風不僅取代了現有麥克風，而且為應用帶來了新的價值。
MEMS麥克風工作原理
英飛凌麥克風SMM310內含兩塊晶片：MEMS晶片和ASIC(專用積體電路)晶片。兩顆晶片被封裝在一個表面貼裝元件中。MEMS晶片包括一個剛性穿孔背電極和一片彈性矽膜。MEMS晶片用作電容，將聲壓轉換為電容變化。在英飛凌的設計中，矽膜的典型直徑為900µm左右。在該設計中，彈性矽膜的面積在總的晶片表面中是最大的。因此，最佳化特定晶片尺寸上的信噪比。
ASIC晶片用於檢測MEMS電容變化，並將其轉換為電信號，傳遞給相關處理元件，如基帶處理器或放大器等。ASIC晶片是標準的IC技術。因此，這種雙晶片式方法能夠快速向ASIC增添額外功能。這種功能既可以是額外構件，如音頻信號處理、RF遮罩，也可以是任何可以整合在標準IC上的功能。
MEMS麥克風的優點
今天我們使用的大多數麥克風都是駐極體電容器麥克風(ECM)，這種技術已經有幾十年的歷史。ECM的工作原理是利用具有永久電荷隔離的聚合材料振動膜。與ECM的聚合材料振動膜相比，MEMS麥克風在不同溫度下的性能都十分穩定，不會受溫度、振動、濕度和時間的影響。由於耐熱性強，MEMS麥克風可承受260℃的高溫迴焊，而靈敏度不會有任何變化。
MEMS麥克風需要ASIC提供外部偏置。而ECM則不需要這種偏置。有效的偏置將使整個操作溫度範圍內都可保持穩定的聲學和電氣參數。
傳統ECM的尺寸通常比MEMS麥克風大，並且不能進行SMT操作。SMT迴焊簡化了製造流程，可以省略一個製造步驟，而該步驟現在通常以手工方式進行。這種麥克風現在是標準的SMT元件，像其他SMT元件一樣，它不需要進行特殊處理。
這種輔助功能的優點可以整合到ASIC上。與標準ECM相比，這種額外輔助功能的優點是使麥克風具有額外的ESD保護功能和很高的電源抑制比。也就是說，如果電源電壓有波動，則會以音頻輸出的方式被有效抑制。
麥克風ASIC的晶片設計使得其功耗非常低，只有標準ECM的三分之一(在1.5-3.3 V的電源電壓下，英飛凌的SMM310的電流消耗為~80µA，如表1中的SMM310的技術規範)。
另一個優點是整合在IC上的寬頻RF(射頻)抑制性能。SMM310有一個金屬蓋，可以對射頻進行遮罩。整合在ASIC上的寬頻抑制性能不僅包括特定頻段，而且包括所有UMTS和GSM頻段區域。
MEMS麥克風的小型振動膜還有另一個優點，直徑不到1mm的小型薄膜其重量同樣輕巧。這意味著，與ECM相比，MEMS麥克風會對由安裝在同一PCB上的揚聲器引起的PCB雜訊產生更低的振動耦合。這為特殊的彈簧安裝的外殼節省成本。
MEMS麥克風的另一個優點是可以將其安裝在PCB的反面。如圖3所示的反面安裝麥克風的實例。MEMS麥克風可以安裝在PCB上的一個孔後面。通過這種方法，PCB上方的元件就不再需要了。應用PCB可以直接接觸到消費裝置的外殼，使設計變得更加靈巧。
此外，考慮到silicon麥克風的眾多優勢和系統成本，矽基麥克風對那些對尺寸、耐熱性、振動和RF都有很高要求的中高端應用，將具有很大的吸引力，例如圖4所示的應用實例。尺寸不僅指麥克風元件的占位空間，還指那些能夠透過ASIC更高程度整合可省去的分離元件的尺寸。透過在PCB的反面進行安裝還可以得到更大的設計自由度。
組裝製程前後敏感性的小幅增強不僅節約了製造中的音頻調節成本，而且還使得在剩餘的音頻路徑中的元件成本更低，同時使系統敏感性不斷增強。
更好的射頻抑制對於手機而言正變得日益重要：要將SAR(特定吸收率)的值減至最小，通常將手機的天線放在手機的較低的一端，也就是麥克風所在的位置。在這些設計中，麥克風和天線之間的距離很小，在麥克風所在的位置，射頻輻射水準大大增加。
與聚合體內部充電的工作原理及隨著工作條件惡化而性能降低的特性比較，MEMS麥克風因為有外部偏置，具有穩定的品質，可靠性及耐久性。在惡劣環境中也可以保證這一極其穩定的性能。應用實例包括在空調房間操作一會兒，然後在外面的炎熱潮濕的環境中操作。
具有上述要求的應用包括：中高階行動電話、數位相機、個人數位助理 (PDA)或遊戲控制器等。
輔助功能和最佳性能現在正在逐步實現
藉由給麥克風配備數位介面，音頻信號就不會因為RF雜訊的干擾而失真。這對手機和筆記型電腦而言都是一個優勢。
對於輔助功能，需要數位介面，聲音處理或對IC的功能進行過濾。這一雙晶片解決方案技術已經被ASIC採用。可以放在ASIC上的任何額外功能都可以輕鬆整合到麥克風上。在駐極體中，必須添加IC，而在MEMS麥克風中，只需在IC上添加額外的專用功能即可。
對於筆記型電腦而言，矽基麥克風還有另一個優點。在IP語音日漸風行的推動下，筆記型電腦可以當作電話來使用。採用麥克風陣列軟體，可以對筆記型電腦附近或整個空間(如會議室)的方向敏感性進行調節。但要計算來自一個陣列中不同麥克風的延遲信號的聲音方向，則需要具有非常穩定性能的麥克風，如MEMS麥克風。
除消費應用和資料處理應用領域外，對工業、醫療及汽車行業也是首選方案。從機器監視、助聽器到車載免提裝置等應用都有可能用到MEMS麥克風。中高階應用的系統成本大致相同。
結語
雖然MEMS的元件成本比ECM高，中高端應用的系統成本大致相同。但是silicon MEMS麥克風還有很大的發展潛力。與其他半導體領域的成本降低(在從開始設計到大量生產的過程中實現)相比，預計在未來幾年，成本將會有大幅降低。
英飛凌MEMS麥克風簡介
英飛凌在2006年底推出新產品系列——silicon MEMS(微機電系統)麥克風。該產品系列中的第一款產品是SMM310——SMT類比輸出單端麥克風。它於2007年中開始量產。現在，英飛凌正在擴大其產品系列。
半導體製造商具備製造該產品系列的核心能力。首先是MEMS 設計和製造能力，其次是ASIC設計和製造能力。最後是大容量低成本封裝能力。迄今為止，聲頻公司一直佔據著幾乎整個 MEMS 麥克風市場。聲頻公司必須依賴半導體代工廠提供相關技術並與他們分享利潤。現在，英飛凌的進入意味著該市場擁有了新的選擇，並且降低了元件購買者的風險。
英飛凌MEMS麥克風的藍圖
英飛凌的SMM310是英飛凌新型產品線的第一款產品。英飛凌正在三個方面實現創新：尺寸減小、額外功能和介面以及音響效果的增強。尺寸將會進一步縮小，將會受到製造過程中標準自動化貼裝工具的限制。其實限制主要來自MEMS本身。如表1所示，MEMS的尺寸不到當今普通麥克風的一半。
ASIC中將整合更多功能，A/D轉換和數位輸出是第一步。此外，還可利用標準構件，如風噪信號過濾構件。專用介面和信號預處理也將成為一個很大的應用領域。在音頻方面，也會有很多變化。SMM310針對人聲進行了最佳化，其他產品會在其他應用進行最佳化，如數位攝像機——大多數手機都開始變成數位攝像機。很難預測何時會出現帶有整合式麥克風並能記錄美妙身歷聲的單晶片錄影電話，但是，毫無疑問我們正在朝著這個方向發展。
作者簡介：
Roland Helm 博士擁有德國慕尼克理工大學物理學博士學位。他于2003年加入英飛凌科技股份公司企業戰略部。在這之前，他曾擔任過一家新興公司的專業服務部負責人以及一家諮詢公司的經理。自2006年以來，他開始負責矽基麥克風專案。更多資訊：http://www.infineon.com/microphone
願景
想像一下尺寸不到手錶大小並帶有整合麥克風的微型單晶片手機，還有內置麥克風的單晶片藍牙耳機。同時，想像一下比普通麥克風小的多並帶有整合回聲抵消和雜訊消除系統的麥克風。
新型MEMS(微機電系統)技術的市場潛力包括麥克風還有許多仍待挖掘。但是第一批採用這種技術的產品如MEMS 麥克風已經在多種應用中體現出了諸多優勢，特別是中高階手機。
半導體感測器逐漸替代傳統感測器
MEMS及其他半導體系統包含光學、電磁、射頻、機械和微流體工作原理。基於這些系統的感測器有溫度、磁場、指尖、加速度、壓力或氣流感測器。
基於MEMS技術的壓力感測器包括複雜的汽車輪胎壓力監測系統、簡單的用於測高計和MEMS麥克風的消費設備壓力感測器。半導體感測器不僅替代了傳統感測器，而且打開了新的應用領域，比如消費裝置(遊戲控制器或手機)中的加速度感測器。MEMS麥克風不僅取代了現有麥克風，而且為應用帶來了新的價值。
MEMS麥克風工作原理
英飛凌麥克風SMM310內含兩塊晶片：MEMS晶片和ASIC(專用積體電路)晶片。兩顆晶片被封裝在一個表面貼裝元件中。MEMS晶片包括一個剛性穿孔背電極和一片彈性矽膜。MEMS晶片用作電容，將聲壓轉換為電容變化。在英飛凌的設計中，矽膜的典型直徑為900µm左右。在該設計中，彈性矽膜的面積在總的晶片表面中是最大的。因此，最佳化特定晶片尺寸上的信噪比。
ASIC晶片用於檢測MEMS電容變化，並將其轉換為電信號，傳遞給相關處理元件，如基帶處理器或放大器等。ASIC晶片是標準的IC技術。因此，這種雙晶片式方法能夠快速向ASIC增添額外功能。這種功能既可以是額外構件，如音頻信號處理、RF遮罩，也可以是任何可以整合在標準IC上的功能。
MEMS麥克風的優點
今天我們使用的大多數麥克風都是駐極體電容器麥克風(ECM)，這種技術已經有幾十年的歷史。ECM的工作原理是利用具有永久電荷隔離的聚合材料振動膜。與ECM的聚合材料振動膜相比，MEMS麥克風在不同溫度下的性能都十分穩定，不會受溫度、振動、濕度和時間的影響。由於耐熱性強，MEMS麥克風可承受260℃的高溫迴焊，而靈敏度不會有任何變化。
MEMS麥克風需要ASIC提供外部偏置。而ECM則不需要這種偏置。有效的偏置將使整個操作溫度範圍內都可保持穩定的聲學和電氣參數。
傳統ECM的尺寸通常比MEMS麥克風大，並且不能進行SMT操作。SMT迴焊簡化了製造流程，可以省略一個製造步驟，而該步驟現在通常以手工方式進行。這種麥克風現在是標準的SMT元件，像其他SMT元件一樣，它不需要進行特殊處理。
這種輔助功能的優點可以整合到ASIC上。與標準ECM相比，這種額外輔助功能的優點是使麥克風具有額外的ESD保護功能和很高的電源抑制比。也就是說，如果電源電壓有波動，則會以音頻輸出的方式被有效抑制。
麥克風ASIC的晶片設計使得其功耗非常低，只有標準ECM的三分之一(在1.5-3.3 V的電源電壓下，英飛凌的SMM310的電流消耗為~80µA，如表1中的SMM310的技術規範)。
另一個優點是整合在IC上的寬頻RF(射頻)抑制性能。SMM310有一個金屬蓋，可以對射頻進行遮罩。整合在ASIC上的寬頻抑制性能不僅包括特定頻段，而且包括所有UMTS和GSM頻段區域。
MEMS麥克風的小型振動膜還有另一個優點，直徑不到1mm的小型薄膜其重量同樣輕巧。這意味著，與ECM相比，MEMS麥克風會對由安裝在同一PCB上的揚聲器引起的PCB雜訊產生更低的振動耦合。這為特殊的彈簧安裝的外殼節省成本。
MEMS麥克風的另一個優點是可以將其安裝在PCB的反面。如圖3所示的反面安裝麥克風的實例。MEMS麥克風可以安裝在PCB上的一個孔後面。通過這種方法，PCB上方的元件就不再需要了。應用PCB可以直接接觸到消費裝置的外殼，使設計變得更加靈巧。
此外，考慮到silicon麥克風的眾多優勢和系統成本，矽基麥克風對那些對尺寸、耐熱性、振動和RF都有很高要求的中高端應用，將具有很大的吸引力，例如圖4所示的應用實例。尺寸不僅指麥克風元件的占位空間，還指那些能夠透過ASIC更高程度整合可省去的分離元件的尺寸。透過在PCB的反面進行安裝還可以得到更大的設計自由度。
組裝製程前後敏感性的小幅增強不僅節約了製造中的音頻調節成本，而且還使得在剩餘的音頻路徑中的元件成本更低，同時使系統敏感性不斷增強。
更好的射頻抑制對於手機而言正變得日益重要：要將SAR(特定吸收率)的值減至最小，通常將手機的天線放在手機的較低的一端，也就是麥克風所在的位置。在這些設計中，麥克風和天線之間的距離很小，在麥克風所在的位置，射頻輻射水準大大增加。
與聚合體內部充電的工作原理及隨著工作條件惡化而性能降低的特性比較，MEMS麥克風因為有外部偏置，具有穩定的品質，可靠性及耐久性。在惡劣環境中也可以保證這一極其穩定的性能。應用實例包括在空調房間操作一會兒，然後在外面的炎熱潮濕的環境中操作。
具有上述要求的應用包括：中高階行動電話、數位相機、個人數位助理 (PDA)或遊戲控制器等。
輔助功能和最佳性能現在正在逐步實現
藉由給麥克風配備數位介面，音頻信號就不會因為RF雜訊的干擾而失真。這對手機和筆記型電腦而言都是一個優勢。
對於輔助功能，需要數位介面，聲音處理或對IC的功能進行過濾。這一雙晶片解決方案技術已經被ASIC採用。可以放在ASIC上的任何額外功能都可以輕鬆整合到麥克風上。在駐極體中，必須添加IC，而在MEMS麥克風中，只需在IC上添加額外的專用功能即可。
對於筆記型電腦而言，矽基麥克風還有另一個優點。在IP語音日漸風行的推動下，筆記型電腦可以當作電話來使用。採用麥克風陣列軟體，可以對筆記型電腦附近或整個空間(如會議室)的方向敏感性進行調節。但要計算來自一個陣列中不同麥克風的延遲信號的聲音方向，則需要具有非常穩定性能的麥克風，如MEMS麥克風。
除消費應用和資料處理應用領域外，對工業、醫療及汽車行業也是首選方案。從機器監視、助聽器到車載免提裝置等應用都有可能用到MEMS麥克風。中高階應用的系統成本大致相同。
結語
雖然MEMS的元件成本比ECM高，中高端應用的系統成本大致相同。但是silicon MEMS麥克風還有很大的發展潛力。與其他半導體領域的成本降低(在從開始設計到大量生產的過程中實現)相比，預計在未來幾年，成本將會有大幅降低。
英飛凌MEMS麥克風簡介
英飛凌在2006年底推出新產品系列——silicon MEMS(微機電系統)麥克風。該產品系列中的第一款產品是SMM310——SMT類比輸出單端麥克風。它於2007年中開始量產。現在，英飛凌正在擴大其產品系列。
半導體製造商具備製造該產品系列的核心能力。首先是MEMS 設計和製造能力，其次是ASIC設計和製造能力。最後是大容量低成本封裝能力。迄今為止，聲頻公司一直佔據著幾乎整個 MEMS 麥克風市場。聲頻公司必須依賴半導體代工廠提供相關技術並與他們分享利潤。現在，英飛凌的進入意味著該市場擁有了新的選擇，並且降低了元件購買者的風險。
英飛凌MEMS麥克風的藍圖
英飛凌的SMM310是英飛凌新型產品線的第一款產品。英飛凌正在三個方面實現創新：尺寸減小、額外功能和介面以及音響效果的增強。尺寸將會進一步縮小，將會受到製造過程中標準自動化貼裝工具的限制。其實限制主要來自MEMS本身。如表1所示，MEMS的尺寸不到當今普通麥克風的一半。
ASIC中將整合更多功能，A/D轉換和數位輸出是第一步。此外，還可利用標準構件，如風噪信號過濾構件。專用介面和信號預處理也將成為一個很大的應用領域。在音頻方面，也會有很多變化。SMM310針對人聲進行了最佳化，其他產品會在其他應用進行最佳化，如數位攝像機——大多數手機都開始變成數位攝像機。很難預測何時會出現帶有整合式麥克風並能記錄美妙身歷聲的單晶片錄影電話，但是，毫無疑問我們正在朝著這個方向發展。
作者簡介：
Roland Helm 博士擁有德國慕尼克理工大學物理學博士學位。他于2003年加入英飛凌科技股份公司企業戰略部。在這之前，他曾擔任過一家新興公司的專業服務部負責人以及一家諮詢公司的經理。自2006年以來，他開始負責矽基麥克風專案。更多資訊：http://www.infineon.com/microphone
