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作者：Jerad Lewis 和 Dr. Brian Moss 博士 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鏈整體的性能并降低功耗。 麥克風(fēng)是把聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號以供助聽器音頻信號鏈處理的傳感器。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)信號而運動，這種運動引起電容變化，進而產(chǎn)生電信號。 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，其一個板由具有永久電荷的材料制成。ECM在當今助聽行業(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)造了機會。新技術(shù)應(yīng)當能改善上述缺點，讓制造商生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更加可靠的設(shè)備。 微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是電容麥克風(fēng)變革的中堅力量。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高，不宜用于助聽器，但滿足這兩項關(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)包含一個靈活懸浮的薄膜，它可在一個固定背板之上自由移動，所有元件均在一個硅晶圓上制造。該結(jié)構(gòu)形成一個可變電容，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，引起薄膜運動，其運動量與壓縮和稀疏波的幅度成比例。這種運動改變薄膜與背板之間的距離，進而改變電容，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。 
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元件也都具有相同的性能。 硅制造是在嚴格控制的環(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)計中，聲波通過元件底部的空腔進入麥克風(fēng)，并穿過背板孔以激勵薄膜。
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格控制，因此不同麥克風(fēng)的實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)用的默認選擇，但大部分商用級麥克風(fēng)并不適合助聽器行業(yè)，因為后者要求小得多的器件、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所示為相同型號的數(shù)個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)則顯示出相當大的器件間差異，尤其是在高頻和低頻時。
圖4. 數(shù)個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，輸出信號和偏置電壓（電源）共用一個引腳，電源上的任何紋波都會直接出現(xiàn)在輸出信號上。MEMS麥克風(fēng)優(yōu)異的PSRR為音頻電路設(shè)計提供的自由度是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。當助聽器正在工作時，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，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），適合助聽應(yīng)用。⅓倍頻程EIN噪聲性能通常用于指定助聽器用麥克風(fēng)，在低頻時非常出色，如圖7所示。實現(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⅓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。 作者簡介 maithil pachchigar Jerad Lewis [jlewis@invensense.com] 是InvenSense, Inc.的MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用工程師。他于2001年獲得美國賓州州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，目前正在攻讀聲學(xué)工程碩士學(xué)位。轉(zhuǎn)職到InvenSense之前，Jerad在ADI公司工作，負責(zé)支持各種音頻IC，包括SigmaDSP®、轉(zhuǎn)換器和MEMS麥克風(fēng)。 maithil pachchigar Dr. Brian Moss 是InvenSense的應(yīng)用工程師。他于1996年獲得英國倫敦倫敦密德薩斯大學(xué)工程學(xué)士（榮譽）學(xué)位，2011年以題為“利用被動聲學(xué)測量受約束氣流溫度” 的研究成果獲得哲學(xué)博士學(xué)位。轉(zhuǎn)職到InvenSense之前，Brian在ADI公司工作，同時兼任利默里克大學(xué)講師。 |
