硅微型（MEMS）传声器发展动态
中电元协电声分会秘书长 王润礼
微机电系统（MEMS ）是近年来发展迅速的高新科学技术，是一种集成微电子和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。作为最近十几年来新出现的一项技术， MEMS 对现代科技的影响，将超过晶体管的出现。 MEMS 技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。 MEMS 技术是 21 世纪最具发展潜力的学科之一。
硅基MEMS麦克风又叫微型硅基麦克风，是采用硅基MEMS工艺生产的仅有普通麦克风一半大小的新型产品，它具有驻极体麦克风相同的声学和电学性，但却更加结实耐用、耐热性能更强、功耗更低。
硅微型（MEMS）传声器是使用微电子加工工艺在硅片上生成膜片和后极板组成的电容传声器结构的微型传声器。这种新型麦克风内含两个芯片——MEMS芯片和专用集成电路（ASIC）芯片，两枚芯片封装在一个表面贴装器件封装体中。MEMS芯片包括一个刚性穿孔背电极和一片用作电容器的弹性硅膜。该弹性硅膜将声转换为电容变化。ASIC芯片用于检测电容变化，并将其转换为电信号传递给相关处理器件。
MEMS 技术有望实现新型传声器的高度集成，使制作集信息采集、处理、模数转换、数字传输于一体的系统集成芯片（ SOC ）成为可能。它具有价格便宜、体积小、重量轻、可靠性高等优点。它又成为微电子机械系统（MEMS）技术的一部分。它的尺寸已经达到4.72×3.76×1.5mm。
国外楼氏声学公司（Knowles Acoustics）已经商品化，前几年，中国科学院声学研究所使用创新基金完成了样品研制。目前，国内大型的微型电声器件生产企业，如瑞声声学科技公司、歌尔声学公司和东莞泉声公司已能量产该产品，并拥有多项专利。使用半导体的工艺制造传声器，在传声器后可以加上A/D转换和DSP等集成电路，可以完成各种算法，实现微型化、智能化，并可对电声信号进行相关处理已指日可待，该技术有很大的发展前景。
一、硅微型传声器发展现状
近年来，随着科技潮流的演进，新一代的手机、笔记本计算机等 IT 产品朝着轻薄、多任务的方向发展，使得新型 lT 产品里每个组件的空间也被相对压缩，所以 lT 产品内部组件的高度及组件的安装形式决定了IT产品的厚度。由于传统驻极体电容传声器（ ECM ）外形尺寸的限制及难以承受自动表面贴装工艺的高温，所以 ECM 在手机、计算机等消费电子领域正逐步被新型 MEMS 硅传声器所替代，用 MEMS 方法制备麦克风已是我国电声业界一个刻不容缓的课题了。
Akustica 公司的 J ·Rock 说： " MEMS 方式生产麦克风的最初的价值不在于价格，而是减少了电子装置的制造费用。自 Bell 实验室科学家在1962 年发明了驻极体电容麦克风（ ECM ）以来，目前被大公司以只要 0.5 美元单价每年售出超过十亿个。但是因为 ECM会被高热损害，它们一定要用手工焊接。此种仍需人工的步骤在大数量、低利润电子产品中，如2008年数亿支手机的自动化组装中可能是一个昂贵的瓶颈。”如何解决这个问题呢？这正如同楼氏电子总经理 Jeffrey Niew解释的：硅麦克风能抵抗现代自动化“pick — and —place ”组装时摄氏 260度的焊接温度。 Niew说采用一个硅麦克风的装置可以比使用常用的 ECM 节省高达 10 倍的安装费用。以 Itasca为基地楼氏公司在21世纪初期开始推出它的硅麦克风，而且已经供应瑞典的手机制造商Neonode。 Niew曾期待在2004年之前硅麦克风将占楼氏公司声学产品的30％到 40 ％。
在几年前，匹兹堡初创公司，展示了一枚声音芯片。其中整合64个极小的硅膜传声器及能帮助降低背景噪音的电子电路。虽然庞大的手机市场对它感兴趣，但是它希望先和丹麦GNRe Sound合作完成下一代助听器上整合电子电路。 Rock 说其 3mmx3.65mmx0.55mm装置能在 CMOS 芯片工厂中制造，包括那些已经供应电话手机制造者的台湾半导体厂家。楼氏还说，它的MEMS麦克风将在主要的芯片制作的厂生产，而且它与一个全球的半导体和软件公司正草拟制造协议。 Akustica ' s 的Rock 声称那个他的system —on—a—chip 方式基本上优于 Knowles ' system—in—a—package 方式，其中一个二或更多的组件被焊接在一起。他也认为对于SonlonMEMS ，以丹麦为基础的 Sonlon 的新子公司，利用晶圆键合技术将三个部件组合为一的方式也有相当的优势。 Rock 主张像Akustica 的内建直接整合电子电路的硅麦克风，由于能减少对部件（像放大器和 A—D 转换器）的需要，可以减少更多费用。因此一个 3 美元或 4 美元声学系统（ Akustica 没有透露真实的订价）可能可以替换 5 美元或更多的组件楼氏的 Niew 承认 Akustica 的整合的方式有道理，但是他相信此方式短期而言．太昂贵而且比较复杂。Niew 说公司现在将不会为一个 MEMS 麦克风支付额外费用。Akustica 的 Rock 还击说他公司拥有在整合声学芯片的大范围知识产权表明竞争者只能按他们的方式来生产。Leo O ' Connor , Frost & Sullvan 睿智地指出为 MEMS 生产麦克风是一个协助快速整合不断成长市场的可能技术。他说麦克风是否能随着传感器成为下一个成功的 MEMS 应用，尚待观察。这主要将依赖移动电话和个人数字助理装置公司是否乐意采用他们。除了采用标准CMOS工艺以外，Akustica公司的设计还有一个独到之处，即在同一颗芯片上整合了前置放大器和模数转换器。AKU2000整合了1个四阶的sigma-delta调节器，该调节器的输出是一款对于射频和电磁干扰均不敏感的脉冲密度调制单位比特数字输出流。由于省去了调节传统麦克风的模拟音频信号并将之转换为数字格式所需的时间和开销，Akustica公司声称这样可以降低总体成本和消除噪音来源，而且不再需要屏蔽电缆来发送模拟信号。分析师认为，Akustica公司可能使价格、性能和易于整合性实现能够致胜的组合。因为它的麦克风具有数字输出，因此可能最先被设计于现有的数字电子产品之中，从PC到PDA和蓝牙耳机，最终进入手机应用。Akustica、Knowles Electronics和Sonion MEMS等其它MEMS麦克风制造商未来可能经历的两个阶段。他认为，“MEMS麦克风市场的第一阶段是由Knowles的模拟MEMS麦克风所驱动；而Akustica的数字MEMS麦克风将开启第二阶段，并将增加更多样化的且附加值更高的市场，例如VoIP就将受益于用于笔记本电脑和台式PC的更高品质的麦克风。”
另外，除上述大的领军企业外．日木的 NHK 广播电视技术研究所于 2002 年 5 月 21 日发布报道说他们用单晶硅基与半导体制造技术开发出了一种新型麦克风制造技术。这一技术可以实现麦克风的阵列设计及外部电路的集成，因此有望使用于手机等移动终端。就我国而言，硅麦克风的研究还要首推清华大学。清华大学在国际上率先成功研制了高品质、实用化的铁电微麦克风产品。铁电微麦克风是将铁电薄膜技术与硅微电子技术相结合，是一种新型微声学器件。该产品具有微型化、灵敏度高、频响带宽、可靠性高、低成本等突出特点，并可实现微麦克风、扬声器、放大电路、及其它电路的单芯片集成。但是该硅麦克风采用的是悬臂式和铁电材料，而目前成功于麦克风上的是驻极体材料，若能研制出硅驻极体麦克风推向市场，将更有竞争力。
硅基微型传声器和传统的驻极体传声器相比，传统驻极体传声器有以下的缺点：
① 由于线路板的限制，电路的集成度小；
② 因为麦克风由多种材料装配而成，他们的温度膨胀系数不一需要我们考虑焊接时温度过高引起的材料变形；
③ 如果要使灵敏度提高，需要较高的偏压去驱动；
④ 受周围湿度影响大；
⑤ 尺寸较大，成本较高。
而硅传声器与之相比则有以下优点：
① 能小型化；
② 对于湿度不敏感；
③ 更适用于手机数码相机等产品的应用。有更好的应用前景；
④ 能承受自动表面贴装工艺的高温；
⑤具有很强的抗振性能。
加好友 
发短信
Post By：2009-1-3 23:24:56 [只看该作者]
