MEMS麦克风ppt课件
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MEMS(数字)麦克风基本知识
MEMS Microphone Wafer & MEMS Die
MEMS Wafer
MEMS Die
Hale Waihona Puke MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
4
Acoustic port hole
1
L
3
W H
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT,
2
2.NO CONNECTION
MEMS Microphone 工作原理
MEMS麦克风是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路 (放大器)、声腔及RF抗噪电路组成。MEMS微电容极头部分包含 接收声音的硅振膜和硅背极,硅振膜可直接将接收到的音频信号 经MEMS微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路可将高阻 的音频电信号转换并放大成低阻的音频电信号,同时经RF抗噪电 路滤波,输出与手机前置电路相匹配的电信号.完成“声--电”转 换.
< MEMS Microphone >
MEMS Packaging
Notebook Computer, Desk-Top Computer Video Door Phone etc. Cordless Phone
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Mic
MEMS Microphone
MEMS Microphone 产品简介
Recommended Interface Circuit
Term4
+ R2 +
R1
AAC MEMS Microphone
Term1
External Gain=-R1/R2 Term3. Term2. (Set by customer)
MEMS Wafer
MEMS Die
Hale Waihona Puke MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
4
Acoustic port hole
1
L
3
W H
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT,
2
2.NO CONNECTION
MEMS Microphone 工作原理
MEMS麦克风是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路 (放大器)、声腔及RF抗噪电路组成。MEMS微电容极头部分包含 接收声音的硅振膜和硅背极,硅振膜可直接将接收到的音频信号 经MEMS微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路可将高阻 的音频电信号转换并放大成低阻的音频电信号,同时经RF抗噪电 路滤波,输出与手机前置电路相匹配的电信号.完成“声--电”转 换.
< MEMS Microphone >
MEMS Packaging
Notebook Computer, Desk-Top Computer Video Door Phone etc. Cordless Phone
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Mic
MEMS Microphone
MEMS Microphone 产品简介
Recommended Interface Circuit
Term4
+ R2 +
R1
AAC MEMS Microphone
Term1
External Gain=-R1/R2 Term3. Term2. (Set by customer)
MEMS麦克风的基本原理PPT课件
前言
• 微机电系统（MEMS）技术的问世和应用让麦克风变得越 来越小，性能越来越高。MEMS麦克风具有诸多优点，例 如，高信噪比，低功耗，高灵敏度，所用微型封装兼容贴 装工艺，回流焊对MEMS麦克风的性能无任何影响，而且 温度特性非常出色。
.
MEMS麦克风的声学பைடு நூலகம்感器
• MEMS麦克风所用的声学传感器是利用半导体生产线制作且通过高度自动化过 程封装的芯片。MEMS麦克风的制造过程是，首先，在晶圆上沉积数层不同的 物质，然后蚀去无用的物质，在基础晶片上形成一个腔室，在腔室上覆盖一 层能够运动的振膜和一个固定的背板。传感器背板具有优良的刚性，采用通 孔结构，通风性能优异；而振膜是一个很薄的实心结构，当声波引起气压变 化时，振膜将会弯曲。
• 顾名思义，数字MEMS麦克风的输出为数字信号，可在高低逻辑电平之间转换。大多数数字麦克风 采用脉冲密度调制技术 (PDM)，生成过采样率较高的单个比特的数据流。脉冲密度调制麦克风的脉 冲密度与瞬间空气压力级成正比。脉冲密度调制技术与D类功放所用的脉宽调制（PWM）技术相似， 不同之处是，脉宽调制技术的脉冲间隔时间是定量，使用脉宽给信号编码，而脉冲密度调制则相反， 脉宽是定量，使用脉冲间隔时间给信号编码。
.
• 大多数MEMS麦克风的灵敏度随频率升高而
提高，这是声孔的空气与麦克风前室的空
气相互作用的结果。这种交互作用产生了
Helmholtz谐振，这与吹瓶产生的声音的现
象相同。像吹瓶子一样，空气容积越小，
谐振频率越高；反之，空气容积越大，谐
振频率越低。下置声孔麦克风将声学传感
器直接置于声孔之上，这样设计导致前室
.
• 为让声音能够传入声学传感器，MEMS麦克 风需要在封装上开孔。声孔位置可以在封 装盖上(上置声孔)或在焊盘附近(下置声孔)。 下置声孔麦克风还要求在电路板上的麦克 风安装位置开一个孔，让声音能够穿过电 路板传入麦克风声孔。麦克风是选用上置 声孔还是下置声孔，通常取决于多种因素， 例如，麦克风的安装位置和厂家的考虑。 性能也是麦克风选型的一个主要因素，因 为上置声孔麦克风的性能通常低于下置声
• 微机电系统（MEMS）技术的问世和应用让麦克风变得越 来越小，性能越来越高。MEMS麦克风具有诸多优点，例 如，高信噪比，低功耗，高灵敏度，所用微型封装兼容贴 装工艺，回流焊对MEMS麦克风的性能无任何影响，而且 温度特性非常出色。
.
MEMS麦克风的声学பைடு நூலகம்感器
• MEMS麦克风所用的声学传感器是利用半导体生产线制作且通过高度自动化过 程封装的芯片。MEMS麦克风的制造过程是，首先，在晶圆上沉积数层不同的 物质，然后蚀去无用的物质，在基础晶片上形成一个腔室，在腔室上覆盖一 层能够运动的振膜和一个固定的背板。传感器背板具有优良的刚性，采用通 孔结构，通风性能优异；而振膜是一个很薄的实心结构，当声波引起气压变 化时，振膜将会弯曲。
• 顾名思义，数字MEMS麦克风的输出为数字信号，可在高低逻辑电平之间转换。大多数数字麦克风 采用脉冲密度调制技术 (PDM)，生成过采样率较高的单个比特的数据流。脉冲密度调制麦克风的脉 冲密度与瞬间空气压力级成正比。脉冲密度调制技术与D类功放所用的脉宽调制（PWM）技术相似， 不同之处是，脉宽调制技术的脉冲间隔时间是定量，使用脉宽给信号编码，而脉冲密度调制则相反， 脉宽是定量，使用脉冲间隔时间给信号编码。
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• 大多数MEMS麦克风的灵敏度随频率升高而
提高，这是声孔的空气与麦克风前室的空
气相互作用的结果。这种交互作用产生了
Helmholtz谐振，这与吹瓶产生的声音的现
象相同。像吹瓶子一样，空气容积越小，
谐振频率越高；反之，空气容积越大，谐
振频率越低。下置声孔麦克风将声学传感
器直接置于声孔之上，这样设计导致前室
.
• 为让声音能够传入声学传感器，MEMS麦克 风需要在封装上开孔。声孔位置可以在封 装盖上(上置声孔)或在焊盘附近(下置声孔)。 下置声孔麦克风还要求在电路板上的麦克 风安装位置开一个孔，让声音能够穿过电 路板传入麦克风声孔。麦克风是选用上置 声孔还是下置声孔，通常取决于多种因素， 例如，麦克风的安装位置和厂家的考虑。 性能也是麦克风选型的一个主要因素，因 为上置声孔麦克风的性能通常低于下置声
MEMS麦克风的基本原理教学教材
•声学过载点(AOP)
•在麦克风声压级开始接近声学过载点之前，失真通常不会随着声压级升高而大幅增加。但是，当达到过载点时，失真开 始快速升高。麦克风声学过载点通常是指失真达到10%时的声压级。
频响 MEMS麦克风频响是在不同频率时指灵敏度的变化。麦克风频响通常在1 kHz 时设为0 dB，对不同频率下 的灵敏度进行归一化处理。大多数MEMS麦克风的灵敏度都低于100Hz，在出现Helmholtz谐振后开始上 升，达到大约4kHz至6kHz之间。这就是许多MEMS麦克风将频响指定在100Hz至10kHz之间的原因。不过， 高性能的MEMS麦克风在20Hz至20kHz全音频带内拥有较平坦的频响曲线。
• 除输出、地和VDD引脚外，大多数数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。时钟输入用于控制Δ-Σ 调制器，将传感器的模拟信号转换成PDM数字信号。数字麦克风的典型时钟频率通常在1MHz至 3.5MHz之间。麦克风输出信号在所选时钟边沿进入适合的逻辑状态，在另半个时钟周期进入高阻抗 状态。这个两个数字麦克风的输入共用一条数据线。L/R输入确定有效数据是在哪一个时钟边沿上。
MEMS麦克风封装
• MEMS麦克风采用由基板和封装盖组成的空心封装，内部组件包括声学传感器 和接口ASIC。封装基板下面是焊盘，用于将麦克风焊接在电路板或挠性电路 上。在大多数MEMS麦克风的内部，MEMS声学传感器和接口ASIC是两颗独立 的芯片，为制作能够移动的结构，声学传感器的制造工艺经过优化改良，而 ASIC芯片则采用工业标准的CMOS制造工艺。ASIC通过引线键合方法连接到传 感器和基板，然后将封装盖扣在基板上并进行密封处理。
MEMS麦克风性能评测
•帕斯卡(Pa)是压力的线性国际单位制，表示单位面积上的压力(1Pa = 1N/m2)。不过，对数单位制更适用研究声压级 （SPL），因为人耳动态范围大，能够察觉从最低20微帕到高达20帕的声压。因此，麦克风的关键性能指标通常用分贝 (dB)表示，0dB SPL等于20µPa，1 Pa等于94dB SPL。下面的参数通常是最重要的麦克风性能指标：
•在麦克风声压级开始接近声学过载点之前，失真通常不会随着声压级升高而大幅增加。但是，当达到过载点时，失真开 始快速升高。麦克风声学过载点通常是指失真达到10%时的声压级。
频响 MEMS麦克风频响是在不同频率时指灵敏度的变化。麦克风频响通常在1 kHz 时设为0 dB，对不同频率下 的灵敏度进行归一化处理。大多数MEMS麦克风的灵敏度都低于100Hz，在出现Helmholtz谐振后开始上 升，达到大约4kHz至6kHz之间。这就是许多MEMS麦克风将频响指定在100Hz至10kHz之间的原因。不过， 高性能的MEMS麦克风在20Hz至20kHz全音频带内拥有较平坦的频响曲线。
• 除输出、地和VDD引脚外，大多数数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。时钟输入用于控制Δ-Σ 调制器，将传感器的模拟信号转换成PDM数字信号。数字麦克风的典型时钟频率通常在1MHz至 3.5MHz之间。麦克风输出信号在所选时钟边沿进入适合的逻辑状态，在另半个时钟周期进入高阻抗 状态。这个两个数字麦克风的输入共用一条数据线。L/R输入确定有效数据是在哪一个时钟边沿上。
MEMS麦克风封装
• MEMS麦克风采用由基板和封装盖组成的空心封装，内部组件包括声学传感器 和接口ASIC。封装基板下面是焊盘，用于将麦克风焊接在电路板或挠性电路 上。在大多数MEMS麦克风的内部，MEMS声学传感器和接口ASIC是两颗独立 的芯片，为制作能够移动的结构，声学传感器的制造工艺经过优化改良，而 ASIC芯片则采用工业标准的CMOS制造工艺。ASIC通过引线键合方法连接到传 感器和基板，然后将封装盖扣在基板上并进行密封处理。
MEMS麦克风性能评测
•帕斯卡(Pa)是压力的线性国际单位制，表示单位面积上的压力(1Pa = 1N/m2)。不过，对数单位制更适用研究声压级 （SPL），因为人耳动态范围大，能够察觉从最低20微帕到高达20帕的声压。因此，麦克风的关键性能指标通常用分贝 (dB)表示，0dB SPL等于20µPa，1 Pa等于94dB SPL。下面的参数通常是最重要的麦克风性能指标：
MEMS麦克风.
传统驻极体麦克风装配方式 表面贴装硅麦克风
二、生产组装
传统驻极体麦克风，零部件繁多，生产工艺工序人工因素多，产 品性能一致性及品质一致性差。硅麦克风，全自动化生产，产品性能 一致性及品质一致性高。 传统ECM麦克风配件结构图 硅麦克风配件结构图
三、声学的电气参数的稳定度
传统驻极体麦克风，采取高电压将电荷驻存在驻极体材料上的工作原理， 电荷易受环境和使用条件影响，造成电荷逃逸，灵敏度降低。 硅麦克风采用偏置电压工作原理，无需驻存电荷，无需驻极体材料，产 品稳定性好。
Part to Part Matching:Magnitude and Phase Response
ECM vs. MEMS麦克风
一、表面贴装
相对于传统驻极体麦克风，具有耐高温、耐回流焊特性，可以直 接使用SMT生产方式组装，减少了烦琐的手工、半自动装配、电气性 能测试、返工等一系列生产成本，生产效率显著提高。
ECM的结构
驻极体麦克风由隔膜、驻极体、垫圈、外壳、背电极、 印制板、场效应管等7部分组成，其中最主要的部件为一片 单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电 极（即背电极）。其中驻极体面与背电极相对，中间有一个 极小的空气隙，它和驻极体构成了绝缘介质，而背电极和驻 极体上的金属层则构成一个平板电容器。
工艺步骤
从微机电麦克风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。Pre-CMOS MEMS 工艺：先 制作MEMS结构再制作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS 工艺： CMOS与MEMS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。 在Post-CMOS MEMS 工艺中需特别注意，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。鑫创科技公司克服了诸多 的技术难题，完全采用标准的CMOS工艺来同时制造电路元件 及微机电麦克风结构。
二、生产组装
传统驻极体麦克风，零部件繁多，生产工艺工序人工因素多，产 品性能一致性及品质一致性差。硅麦克风，全自动化生产，产品性能 一致性及品质一致性高。 传统ECM麦克风配件结构图 硅麦克风配件结构图
三、声学的电气参数的稳定度
传统驻极体麦克风，采取高电压将电荷驻存在驻极体材料上的工作原理， 电荷易受环境和使用条件影响，造成电荷逃逸，灵敏度降低。 硅麦克风采用偏置电压工作原理，无需驻存电荷，无需驻极体材料，产 品稳定性好。
Part to Part Matching:Magnitude and Phase Response
ECM vs. MEMS麦克风
一、表面贴装
相对于传统驻极体麦克风，具有耐高温、耐回流焊特性，可以直 接使用SMT生产方式组装，减少了烦琐的手工、半自动装配、电气性 能测试、返工等一系列生产成本，生产效率显著提高。
ECM的结构
驻极体麦克风由隔膜、驻极体、垫圈、外壳、背电极、 印制板、场效应管等7部分组成，其中最主要的部件为一片 单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电 极（即背电极）。其中驻极体面与背电极相对，中间有一个 极小的空气隙，它和驻极体构成了绝缘介质，而背电极和驻 极体上的金属层则构成一个平板电容器。
工艺步骤
从微机电麦克风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。Pre-CMOS MEMS 工艺：先 制作MEMS结构再制作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS 工艺： CMOS与MEMS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。 在Post-CMOS MEMS 工艺中需特别注意，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。鑫创科技公司克服了诸多 的技术难题，完全采用标准的CMOS工艺来同时制造电路元件 及微机电麦克风结构。
硅麦克风(硅基驻极体电容话筒) ppt课件
反应条件要求高，设备成本高。
ppt课件
8
• 薄膜厚度的精确控制：太厚影响灵敏度；太薄影 响驻极体电荷储存及寿命,破损率也要考虑。 二氧化硅厚度控制与测量 氮化硅厚度控制与测量 Al膜厚度的控制与测量
• 成品率： 背极成品率可以做到95%以上 振膜成品率较低，微结构设计参数以及可靠
的保护措施对成品率都有明显的影响
1.毫米到微米级 2.主要针对硅的微机械加工 3.与微电子芯片相同，可大批量，低成本生产 4.”机械“不限于狭义的机械力学中的机械 5.微“机械”与IC集成的微系统
ppt课件
6
硅麦克风研发的技术难点
• 微结构设计难点： 波纹：宽度，深度，间距，数目等对灵 敏度的影响。从各种组合中找出 最佳方案 声学孔：孔径，间距，数目，排列方式 等对频响特性的影响 声学孔形成：用湿法腐蚀，效率高 DRIE刻蚀，设备昂贵
噪声等和温度稳定方面有着其它传声器不可比 拟的优势 寿命长：尤其适于远距离，高海拔，极温等恶劣条件， 不需要外界偏置电压 估计价格：1-3RMB 现行产品价格：2-5RMB 估计使用量：国内：2亿只/年
国际：
ppt课件
11
• 适用范围： (1) 电子类： 手机，笔记本，PDA，DV， DC，mini麦，mp3，MD player…… (2) 建筑类： 会场音响系统，教学场所，娱乐场所…… (3) 民用，医用等： 助听器，窃听器…… (4) 军用： 远距离侦查，遥感飞行器，声控系统…
ppt课件
18
声波（声压）
振动（源信号）
对振动特性检测，接收（不拘泥于形式）
转换成电流（或其它）信号（目标信号）
传输至目标
转化为声音
ppt课件
19
光麦小品
ppt课件
8
• 薄膜厚度的精确控制：太厚影响灵敏度；太薄影 响驻极体电荷储存及寿命,破损率也要考虑。 二氧化硅厚度控制与测量 氮化硅厚度控制与测量 Al膜厚度的控制与测量
• 成品率： 背极成品率可以做到95%以上 振膜成品率较低，微结构设计参数以及可靠
的保护措施对成品率都有明显的影响
1.毫米到微米级 2.主要针对硅的微机械加工 3.与微电子芯片相同，可大批量，低成本生产 4.”机械“不限于狭义的机械力学中的机械 5.微“机械”与IC集成的微系统
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硅麦克风研发的技术难点
• 微结构设计难点： 波纹：宽度，深度，间距，数目等对灵 敏度的影响。从各种组合中找出 最佳方案 声学孔：孔径，间距，数目，排列方式 等对频响特性的影响 声学孔形成：用湿法腐蚀，效率高 DRIE刻蚀，设备昂贵
噪声等和温度稳定方面有着其它传声器不可比 拟的优势 寿命长：尤其适于远距离，高海拔，极温等恶劣条件， 不需要外界偏置电压 估计价格：1-3RMB 现行产品价格：2-5RMB 估计使用量：国内：2亿只/年
国际：
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• 适用范围： (1) 电子类： 手机，笔记本，PDA，DV， DC，mini麦，mp3，MD player…… (2) 建筑类： 会场音响系统，教学场所，娱乐场所…… (3) 民用，医用等： 助听器，窃听器…… (4) 军用： 远距离侦查，遥感飞行器，声控系统…
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声波（声压）
振动（源信号）
对振动特性检测，接收（不拘泥于形式）
转换成电流（或其它）信号（目标信号）
传输至目标
转化为声音
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光麦小品
mems mic的结构
mems mic的结构
Mems (Micro-Electro-Mechanical Systems)麦克风的结构主要由
以下几个部分组成：
1. 膜片：位于麦克风的顶部，是一个非常薄的薄膜，通常由金属或陶瓷材料制成。
膜片会随着声音的波动而振动。
2. 背板：位于膜片的下方，通常由固体材料制成。
背板上有一个电极，用于感应膜片的振动。
3. 空气隙：膜片和背板之间的微小间隙，当声音波动时，膜片将在空气隙中振动。
4. 支撑结构：用来支撑膜片和背板的稳定的框架结构。
5. 电感器：位于支撑结构上的电子器件，用于测量膜片的振动，并将其转化为电信号。
整个结构被封装在一个微小的封装体中，以保护麦克风的内部零件和电路，并提供适当的隔音和防震功能。
麦克风的结构设计旨在能够高效地转换声音的机械振动为电信号，从而实现声音的录制和传输。
MEMS(数字)麦克风基本知识
MEMS Microphone Wafer & MEMS Die
MEMS Wafer
MEMS Die
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
Acoustic port hole
W
H
4
1
L
3
2
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT, 2.NO CONNECTION 3.GROUND, 4.POWER
Stage
Temperature Profile
Time (Maximum)
Pro-head
170~180 ℃
120sec.
Solder Melt
Above 230 ℃
100sec.
Peak
260 ℃ Maximum
30sec.
Production Process
Wafer Fabrication
>58dB
RF-filtering capacitance
10pF, 33pF, both or none
Change in sensitivity(电压特性) <1dB across voltage range
Standard operating temperature -40℃ to + 100℃
Packaging/Cutting
Testing / Marking / Taping
Shipping Inspection
Packing
Reliability Test
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Wafer Fab. < MEMS Microphone >
MEMS Wafer
MEMS Die
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
Acoustic port hole
W
H
4
1
L
3
2
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT, 2.NO CONNECTION 3.GROUND, 4.POWER
Stage
Temperature Profile
Time (Maximum)
Pro-head
170~180 ℃
120sec.
Solder Melt
Above 230 ℃
100sec.
Peak
260 ℃ Maximum
30sec.
Production Process
Wafer Fabrication
>58dB
RF-filtering capacitance
10pF, 33pF, both or none
Change in sensitivity(电压特性) <1dB across voltage range
Standard operating temperature -40℃ to + 100℃
Packaging/Cutting
Testing / Marking / Taping
Shipping Inspection
Packing
Reliability Test
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Wafer Fab. < MEMS Microphone >
硅麦产品介绍 PPT
硅麦的结构
MEMS声压传感器
MEMS声压传感器
MEMS剖面示意图
MEMS声压传感器实际上是一个由硅振膜和硅背极板组成的 微型电容器，硅振膜能感测声压的变化，将声压转化为电容变 化。
MEMS主要加工流程1
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
MEMS主要加工流程2
硅麦的工作过程
声压ΔP作用到振膜上将产生一个是使振膜移动的推力ΔF 振膜相当于一个弹簧，将推力ΔF转化为位移量ΔX 振膜与背极板构成一个微电容， ΔX导致微电容变化ΔC ASIC将电容变化ΔC转化为ΔV 整个感应过程： ΔP → ΔF → ΔX → ΔC → ΔV
抗RF干扰
金属盖子和带屏蔽层的四层封装基板构成一个全包围PUT引脚上内置对地RF滤波电容。 ASIC的输出阻抗小于200Ω，抗RF干扰能力强，而ECM的输出阻抗大于1.5KΩ
AW8610介绍及应用
我们的合作伙伴
采用Infineon全套MEMS MIC芯片 全球第二大MEMS MIC供应商 2012年总出货量6亿多片，占总份额的31% 产品素以高可靠性、卓越质量和创新性著称
全球领先的封测供应商 MEMS MIC全自动封装测试生产线 产品以LGA，BGA，FC，CSP等高端封装为主
AW8610：高性能、超强RFI抑制、上进音模拟硅麦
主要特性：
采用Infineon MEMS晶圆 支持SMT贴片 优异的一致性，显著增强双MIC降噪效果 平坦的频率响应，使语音清晰逼真 超强RFI抑制 高信噪比：59dB 灵敏度：-42 dBV/Pa 上进音，全向模拟硅麦 3.76mm*2.95mm*1.1mm LGA封装
硅麦功能框图
灵敏度
灵敏度：在压强为1Pa或94dB SPL，频率为1KHz的声压下， 硅麦输出多少dBV的电压，单位是dBV/Pa，反映硅麦的声电转 化效率。
MEMS技术PPT课件
• 应用研究：如何应用这些MEMS系统也是一门非常重要的学问。人们不仅要开 发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS器件用于实际系统，并从 中受益。
第17页/共67页
MEMS的分类
• 微传感器：
• 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、 位置、流量传感器
• 磁学类：磁通计、磁场计 • 热学类：温度计 • 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 • 生物学类：DNA芯片
第42页/共67页
DMD——应用
第43页/共67页
DMD——应用
第44页/共67页
光开关
微机械1X4光开关
微机械1X8光开关
第45页/共67页
光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
第46页/共67页
光纤固定结构
• V形槽 • 各种卡紧结构
第47页/共67页
光栅及光栅光谱仪
• 原理 • 不同类型的光栅
外腔激光器、光编码器等
第19页/共67页
MEMS的分类
• 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好 的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真 空微电子传感器等
• 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型 MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件
• 微惯性传Байду номын сангаас器及微型惯性测量组合能应用于制导、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车 防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具
• 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 • MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
第17页/共67页
MEMS的分类
• 微传感器：
• 机械类：力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、 位置、流量传感器
• 磁学类：磁通计、磁场计 • 热学类：温度计 • 化学类：气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 • 生物学类：DNA芯片
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DMD——应用
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DMD——应用
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光开关
微机械1X4光开关
微机械1X8光开关
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光开关
微机械22光开关
微机械2 2光开关
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光纤固定结构
• V形槽 • 各种卡紧结构
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光栅及光栅光谱仪
• 原理 • 不同类型的光栅
外腔激光器、光编码器等
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MEMS的分类
• 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好 的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真 空微电子传感器等
• 电力电子器件：包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型 MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件
• 微惯性传Байду номын сангаас器及微型惯性测量组合能应用于制导、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车 防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具
• 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 • MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、
MEMS电容式硅麦克风
MEMS 硅麦克风MEMS 麦克风采用批量化的半导体制作工艺, 具有尺寸小、性能优良、一致性高等特点, 并且易于实现阵列化, 对语音效果实现了较大的提升。
根据制造技术, 麦克风可以分为两种主要类型, 传统的驻极体麦克风和MEMS麦克风。
驻极体麦克风通常由独立的金属部件和聚合物材料制成, 尺寸较大, 不易于集成和大批量生产。
而MEMS 麦克风采用与集成电路工艺兼容的硅微加工技术制成, 尺寸较小, 比较适合集成和大规模量产, 进一步降低了生产成本, 并在性能上也得到了较大的提升.电容式MEMS 麦克风主要由两块平行的导电极板组成（包括固定极板和可动极板）, 当可动极板在声波作用下产生振动时, 改变了两极板间的距离, 从而引起电容值的变化。
那么, 通过专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）可以将电容的变化转换成电压信号。
从设计的角度来说, MEMS麦克风的灵敏度取决于电学灵敏度和机械灵敏度。
其中, 电学灵敏度与偏置电压和极板面积成正比, 与极板间的距离成反比。
因此, 偏置电压越高, 极板面积越大, MEMS 麦克风的电学灵敏度就越高。
但是, 增大极板面积就意味着增大MEMS 麦克风的尺寸, 提升偏置电压就意味着增加功耗, 而且偏置电压也会受到吸合电压的限制而不能任意增大。
因此, 这就需要在尺寸、功耗、灵敏度之间找到一个平衡点, 在不增加尺寸和功耗的前提下进一步提升MEMS 麦克风的灵敏度。
MEMS 麦克风的机械灵敏度与振膜（可动电极）的刚度成正比, 一般来说, 刚度越小的薄膜在声波作用下产生的形变就越大。
因此, 减小振膜刚度可以获得更高的机械灵敏度, 但是在制作过程中, 刚度较小的振膜极易受到外界的影响产生形变甚至破裂。
而且在静电力的作用下, 振膜与固定极板之间会产生一个吸引力, 导致振膜逐渐向固定极板靠近, 当振膜与固定极板接触时的偏置电压称为吸合电压。
MIC基础知识 ppt课件
数字麦克风便是将采集到的声压这一连续变化的模拟物理 量，直接转换为特定编码格式的数字脉冲信号输出，供IT应用 设备进行加工处理。
阮宏飞
NeoMEMs
模拟麦克风输出信号波形
阮宏飞
数字麦克风输出脉冲信号
NeoMEMs
引脚
与传统麦克风的两只引脚结构不同，数字麦克风一般具 有4～5 只引脚，其功能分别为Vdd-电源输入、GND-地线、 CLK-时钟输入、DATA-数据输出、L/R-左右声道输出信号选择。 根据客户需求，也可将L/R 选择端采取内部连接而形成4 引 脚结构，也有的IC芯片厂家同时供应不同型号的L或R声道芯 片供客户选用。
频率响应又称带宽(frequency range)，是指麦克风感应声波 频率的范围，并将声波能量忠实的转换为电子讯号的能力。麦克风 接受到不同频率声音时，输出信号会随着频率的变化而发生放大或 衰减。一般以频率响应曲线图标之。
阮宏飞
NeoMEMs
阮宏飞
NeoMEMs MIC基础知识
灵敏度代表麦克风将声音能量转换成电压后所产生的输出讯 号强度，是在麦克风单位声压激励下输出电压与输入声压的比值。 当输入信号固定时(1kHz)，输出讯号越强识
阮宏飞
NeoMEMs MIC基础知识
Diaphragm
Resistance
Sound waves
Signal
阮宏飞
Back Plate
Battery
NeoMEMs MIC基础知识
传统ECM是在一个金属壳体内，包括一片可移动的永久充电 振膜（高分子聚合材料振动膜）和一片与之平行的刚性背极板 以及场效应晶体管(FET)构成，声波使振膜弯曲，改变振膜和背 极板之间的气隙间距，从而使振膜和背板之间的电容发生改变， 这种改变以交变电压信号的形式输出，可以反映出入声口处声 波的频率和幅度变化。
阮宏飞
NeoMEMs
模拟麦克风输出信号波形
阮宏飞
数字麦克风输出脉冲信号
NeoMEMs
引脚
与传统麦克风的两只引脚结构不同，数字麦克风一般具 有4～5 只引脚，其功能分别为Vdd-电源输入、GND-地线、 CLK-时钟输入、DATA-数据输出、L/R-左右声道输出信号选择。 根据客户需求，也可将L/R 选择端采取内部连接而形成4 引 脚结构，也有的IC芯片厂家同时供应不同型号的L或R声道芯 片供客户选用。
频率响应又称带宽(frequency range)，是指麦克风感应声波 频率的范围，并将声波能量忠实的转换为电子讯号的能力。麦克风 接受到不同频率声音时，输出信号会随着频率的变化而发生放大或 衰减。一般以频率响应曲线图标之。
阮宏飞
NeoMEMs
阮宏飞
NeoMEMs MIC基础知识
灵敏度代表麦克风将声音能量转换成电压后所产生的输出讯 号强度，是在麦克风单位声压激励下输出电压与输入声压的比值。 当输入信号固定时(1kHz)，输出讯号越强识
阮宏飞
NeoMEMs MIC基础知识
Diaphragm
Resistance
Sound waves
Signal
阮宏飞
Back Plate
Battery
NeoMEMs MIC基础知识
传统ECM是在一个金属壳体内，包括一片可移动的永久充电 振膜（高分子聚合材料振动膜）和一片与之平行的刚性背极板 以及场效应晶体管(FET)构成，声波使振膜弯曲，改变振膜和背 极板之间的气隙间距，从而使振膜和背板之间的电容发生改变， 这种改变以交变电压信号的形式输出，可以反映出入声口处声 波的频率和幅度变化。
MEMS麦克风介绍
频响
• 从量级角度描述麦克风频响:
– 表示灵敏度在频带范围内的变化。该参数还能表示输出信号与基准值0dB 的偏差。
– 频响测量所用基准通常就是麦克风的灵敏度 0dB = 94dBSPL @ 1kHz
– 麦克风频响通常表示因 通风孔而导致频响低频降低和因Helmholtz
效应而导致频响高频上升。
• 从相位角度描述麦克风频响:
– 表示麦克风引起的相位失真，换句话说，频响表示推动麦克风振膜的声 波与麦克风输出电信号之间的延迟
– 该参数包括振膜和ASIC引起的失真
• 最好的频响、全指向性拾音模式、最佳的灵敏度、更低的相位旋转、 优化的音质(SNR > 60dB)、精确的单元对单元匹配、最高的可靠性和耐 用性、优异的湿度、温度和防尘稳定性。
• 脉冲密度调制（Pulse Density Modulation），简称PDM，是一种在数字领域使 用二进制数0,1表示模拟信号的调制方式，1表示单个脉冲，0表示没有脉冲。 在PDM信号中，模拟信号的幅值使用输出脉冲对应区域的密度表示。PWM波 是PDM波转换频率固定的一种特例，对于一个使用8位长表示的电压信号而言， 峰值的1/2处会高低电平各持续一半，即128个时钟周期。在PDM信号中，会 在1,0之间每个时钟周期都切换。两种波形的平均值都是50%，但是PDM波切 换的更加频繁。对于100%和0的电平信号，两种方式的输出相同
图2. MEMS麦克风基本结构
PCM and PDM
• 脉冲编码调制（英文：Pulse-code modulation，缩写：PCM）是一种模拟信号 的数字化方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的 数字记号（通常是二进制）来量化。PCM常被用于数字电信系统上，也是电 脑和红皮书中的标准形式。在数字视频中它也是标准，例如使用 ITU-R BT.601。 但是PCM并不流行于诸如DVD或DVR的消费性商品上，因为它需要相当大的比 特率（DVD格式虽然支持PCM，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频 较匹配效率。不过，许多蓝光光盘使用PCM作音频编码。非常频繁地，PCM 编码以一种串行通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易——不 论在已给定的系统内，或物理位置。
MEMS麦克风介绍专题培训课件
图2. MEMS麦克风基本结构
PCM and PDM
• 脉冲编码调制（英文：Pulse-code modulation，缩写：PCM）是一种模拟信 号的数字化方法。PCM将信号的强度依照 同样的间距分成数段，然后用独特的数字 记号（通常是二进制）来量化。PCM常被 用于数字电信系统上，也是电脑和红皮书 中的标准形式。在数字视频中它也是标准， 例如使用 ITU-R BT.601。但是PCM并不流 行于诸如DVD或DVR的消费性商品上，因 为它需要相当大的比特率（DVD格式虽然
–麦克风在不失真条件下“听到”的最大信号叫做声学过载点(AOP)。 意法半导体的模拟麦克风AOP值与数字麦克风的AOP值相同，均为 120dBSPL声压
–麦克风在不失真条件下“听到”的最小信号取决于信噪比(SNR)。换 句话说，最小信号相当于残余噪声，用dBSPL表示。
频响
• 从量级角度描述麦克风频响:
MEMS麦克风介绍
MEMS麦克风结构 MEMS麦克风主要分为模拟放筒和数字麦克风两大类：模拟麦克风是将声音信号 转化成相应电压输出；数字麦克风将声音转化成数字输出（典型输出是脉冲密度 调制PDM）。
MEMS麦克风本质上就是声音变送器。
– 变送原理是改变固定板（背板）和运动板（振膜）之间的耦合电容 – 声音穿透声孔，推动振膜运动，调节两个传导板之间的气隙，从而引起电容变化 – 后室是声音共振器 – 通风孔排出后室内的压缩空气，以便振膜恢复原状。
远距离语音交互功能不仅会大幅改变人机交互方式，而且还会给行动 不便的老弱病残人士带来福音。除家庭应用外，远距离语音交互系统 还适用于机器人、远程呈现、监视和工业自动化。
• MEMS麦克风正在进军新的应用领域，例如，声控游戏、汽车语音系 统、工业和安保用声音传感器、医学遥测。其独一无二的结构、性能 和尺寸，让无法想象的概念能够提早变化现实。
MEMS麦克风ppt课件
ADI MEMS Microphones Key Performance
THD @ 115dBL <10% SNR 61dBA Typical PSRR: Analog 70dBV; Digital 80dBFS Frequency Response FLAT 100Hz to
15kHz,no resonant peak Shock Resistance >20k G-force >160dB sound pressure shock Power Consumption:Analog
ECM
电容式麦克风工作原理
PFxV
电容式麦克风的工作原理
Microphone vs. pressure sensor: Pressure sensor messure high(kPa) static
pressure Microphones messure low(mPa)alternating
一、工作原理
MEMS麦克风是通过微机电技术在半 导体上蚀刻压力感测膜片而制成的微 型麦克风，其工作原理与ECM麦克风完 全相同，工艺好比在单一硅晶片上制 作传统麦克风的各个零部件，所集成 的半导体元件有信号放大器、模数转 换器（ADC）和专用集成电路（ASIC）。
一、工作原理
新型麦克风内含两个晶片：MEMS晶片 和ASIC晶片，两颗晶片被封装在一个表面 贴装器件中。MEMS晶片包括一个刚性穿孔 背电极（fixed backplate）和一片用作电 容器的弹性硅膜（flexible membrane）。 该弹性硅膜将声压转换为电容变化。ASIC 晶片用于检测电容变化，并将其转换为电 信号，传送给相关处理器件，如基带处理 器或放大器等。
二、Module Structure
MEMS(微型机电系统) 麦克风
∙MEMS（微型机电系统）麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造,能够承受很高的回流焊温度,容易与 CMOS 工艺及其它音频电路相集成, 并具有改进的噪声消除性能与良好的RF 及EMI 抑制性能.MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘，但是采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。
目录∙MEMS麦克风的优势∙MEMS麦克风的主要参数∙MEMS麦克风的发展前景MEMS麦克风的优势∙目前，实际使用的大多数麦克风都是ECM(驻极体电容器)麦克风，这种技术已经有几十年的历史。
ECM 的工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。
与ECM的聚合材料振动膜相比，MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。
由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260℃的高温回流焊，而性能不会有任何变化。
由于组装前后敏感性变化很小，还可以节省制造过程中的音频调试成本。
MEMS麦克风需要ASIC提供的外部偏置，而ECM没有这种偏置。
有效的偏置将使MEMS麦克风在整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，还支持具有不同敏感性的麦克风设计。
传统ECM的尺寸通常比MEMS麦克风大，并且不能进行SMT（表面贴装技术）操作。
在MEMS麦克风的制造过程中，SMT回流焊简化了制造流程，可以省略一个目前通常以手工方式进行的制造步骤。
在ECM麦克风内，必须添加进行信号处理的电子元件；而在MEMS麦克风中，只需在芯片上添加额外的专用功能即可。
与ECM相比，这种额外功能的优点是使麦克风具有很高的电源抑制比，能够有效抑制电源电压的波动。
另一个优点是，集成在芯片上的宽带RF抑制功能，这一点不仅对手机这样的RF应用尤其重要，而且对所有与手机操作原理类似的设备（如助听器）都非常重要。
MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm的小型薄膜的重量同样轻巧，这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB 噪声产生更低的振动耦合。
MEMS数字麦克风基本知识课件
Packaging/Cutting
Testing / Marking / Taping
Shipping Inspection
Packing
Reliability Test
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Wafer Fab. < MEMS Microphone >
Байду номын сангаас
R1
R2 +
Vref
External Gain=-R1/R2 (Set by customer)
Solder Reflow Profile
MEMS Microphone 产品简介
Maximum solder profile: Do not exceed profile listed in this table
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Structure
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
名称 Cover Housing Wire bonding PC Board Capacitor 10pF Capacitor 33pF ASIC MEMS Die
MEMS Microphone 产品简介
MEMS(数 字)麦克风 基本知识
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone 工作原理
MEMS麦克风是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路 (放大器)、声腔及RF抗噪电路组成。MEMS微电容极头部分包含 接收声音的硅振膜和硅背极,硅振膜可直接将接收到的音频信号 经MEMS微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路可将高阻 的音频电信号转换并放大成低阻的音频电信号,同时经RF抗噪电 路滤波,输出与手机前置电路相匹配的电信号.完成“声--电”转 换.
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ECM的工作原理
驻极体麦克风的工作原理是以人声通过空气引起驻极体 薄膜震膜震动而产生位移，从而使得背电极和驻极体上的金 属层这两个电极的距离产生变化，随之电容也改变，由于驻 极体上的电荷数始终保持恒定，由Q=CU可得出当C变化时将引 起电容器两端的电压U发生变化，从而输出电信号，实现声电的变换。
ECM的结构与原理
五、Sensitivity Variations vs. Tempreture
六、Microphone Technology Packaging
MEMS麦克风的 发展前景
2005-2010MEMS麦克风的市场情况
MEMS麦克风的应用
ADI MEMS Microphones Key Performance
❖THD @ 115dBL <10% ❖SNR 61dBA Typical ❖PSRR: Analog 70dBV; Digital 80dBFS ❖Frequency Response FLAT 100Hz to
15kHz,no resonant peak ❖Shock Resistance >20k G-force ❖>160dB sound pressure shock ❖Power Consumption:Analog
ECM vs.
MEMS麦克风
一、表面贴装
相对于传统驻极体麦克风，具有耐高温、耐回流焊特性，可以直 接使用SMT生产方式组装，减少了烦琐的手工、半自动装配、电气性 能测试、返工等一系列生产成本，生产效率显著提高。
传统驻极体麦克风装配方式
表面贴装硅麦克风
二、生产组装
传统驻极体麦克风，零部件繁多，生产工艺工序人工因素多，产 品性能一致性及品质一致性差。硅麦克风，全自动化生产，产品性能 一致性及品质一致性高。
Typical Specification
❖Sensitivity: < -42 dBV/Pa ❖SNR: 55-58 dB ❖IOUT: 500 μA ❖PSRR: 6 dB ❖ZOUT: 2.2 kohm
MEMS麦克风
Microphone Technology Trends Towards MEMS
在Post-CMOS MEMS 工艺中需特别注意，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。鑫创科技公司克服了诸多 的技术难题，完全采用标准的CMOS工艺来同时制造电路元件 及微机电麦克风结构。
工艺步骤
Post-CMOS MEMS 麦克风麦克风是通过微机电技术在半 导体上蚀刻压力感测膜片而制成的微 型麦克风，其工作原理与ECM麦克风完 全相同，工艺好比在单一硅晶片上制 作传统麦克风的各个零部件，所集成 的半导体元件有信号放大器、模数转 换器（ADC）和专用集成电路（ASIC）。
一、工作原理
新型麦克风内含两个晶片：MEMS晶片 和ASIC晶片，两颗晶片被封装在一个表面 贴装器件中。MEMS晶片包括一个刚性穿孔 背电极（fixed backplate）和一片用作电 容器的弹性硅膜（flexible membrane）。 该弹性硅膜将声压转换为电容变化。ASIC 晶片用于检测电容变化，并将其转换为电 信号，传送给相关处理器件，如基带处理 器或放大器等。
IDD<250μA;Digital IDD<650μA ❖Stable across temprature & after reflow ❖ADI Designs and manufactures both MEMS
and ASIC
Part to Part Matching:Magnitude and Phase Response
pressure ❖ Microphones messure low(mPa)alternating
pressure ❖ Nomal conversation(60dB):app. 20mPa
alternating sound pressure
ECM的结构
驻极体麦克风由隔膜、驻极体、垫圈、外壳、背电极、 印制板、场效应管等7部分组成，其中最主要的部件为一片 单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电 极（即背电极）。其中驻极体面与背电极相对，中间有一个 极小的空气隙，它和驻极体构成了绝缘介质，而背电极和驻 极体上的金属层则构成一个平板电容器。
二、Module Structure
Microphone Construction
ADI MEMS Microphone Die
ADI MEMS Microphone Structure
MEMS Microphone Structure
工艺步骤
从微机电麦克风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。Pre-CMOS MEMS 工艺：先 制作MEMS结构再制作CMOS元件；Intra-CMOS MEMS 工艺： CMOS与MEMS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。
MEMS 麦克风
主要内容
❖驻极体电容式麦克风(ECM) ❖MEMS麦克风 ❖ECM vs. MEMS麦克风 ❖MEMS麦克风的发展前景
ECM
电容式麦克风工作原理
PFxV
电容式麦克风的工作原理
Microphone vs. pressure sensor: ❖ Pressure sensor messure high(kPa) static
传统ECM麦克风配件结构图
硅麦克风配件结构图
三、声学的电气参数的稳定度
传统驻极体麦克风，采取高电压将电荷驻存在驻极体材料上的工作原理， 电荷易受环境和使用条件影响，造成电荷逃逸，灵敏度降低。
硅麦克风采用偏置电压工作原理，无需驻存电荷，无需驻极体材料，产 品稳定性好。
四、Part to Part Response Variations