MEMS传声器原理与应用

文章编号:1002-8684(2008)S1-0057-03

MEMS传声器原理与应用

贺志坚,郑虎鸣

(东莞泉声电子有限公司,广东东莞523297)

【摘要】主要介绍了MEMS传声器的基本原理、结构及声学、电气性能;简要叙述了MEMS传声器在新型I T产品使用中的基本应用与市场展望。

【关键词】微机电系统;硅传声器;驻极体传声器

【中图分类号】TN641【文献标识码】A

Theor y and Application of MEM S M icr ophone

HE Zhi-jian,ZHENG Hu-ming

(Transound Electronics Co.,Ltd.,Dongguan G uangdong523297,China)

【Abstr act】The basic pr inciple,structure and acoustic&electrical per formance of M EMS(Micro Electro Mechanical S ystems)microphone are introduced.The application and market prospect of MEMS microphones using in the IT products are described br ief ly.

【Key wor ds】MEMS;MEMS microphone;ECM microphone

论文

1引言

微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems, 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。1959年,美国物理学家R Feynmam首先提出了制造微型机械的设想。作为最近十几年来新出现的一项技术,MEM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。

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IT 产品里每个组件的空间也被相对压缩,所以IT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MEM S硅传声器所替代。利用MEMS技术制造的硅传声器具有与ECM相似的声学性能,但是在耐高温、可靠性、均匀性、功耗、尺寸以及设计灵活性方面均有较大优势。此外,由于硅传声器能够承受自动表面贴装工艺的高温,所以在一系列组装工序中,还可与其他元器件一样进行回流焊。可以省去ECM所需要的多道组装加工工序,因此有望降低IT产品组装成本。

2工作原理

所谓MEM S传声器就是用M EMS技术加工的传声器产品,也简称为硅传声器。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(SO C)成为可能。按照微电子技术的理念,不仅可以进行晶圆级生产、产品批量化,而且具有价格便宜、体积小、重量轻、可靠性高等优点。

东莞泉声电子有限公司生产的TSM-6137/4737系列M EMS传声器内含2块CMOS芯片:M EM S(微机电系统)芯片和ASIC(专用IC)芯片。2颗芯片被封装在1个由PCB与金属外壳组合的SMD表面贴装器件中。MEMS芯片主要由硅材料制作的背极和1片弹性硅膜组成,以其代替ECM传声器中的振膜与背极板组成的电容,可以将声压转换为电容变化。A SIC芯片用于检测MEMS电容变化,并将其转换为电信号,传递给相关处理器件,如配套设备的前置放大器或音频输入接口等。图1是MEMS传声器的3D加工示意图。图2是MEMS传声器的硅晶振膜显微放大图。

目前使用的大多数传声器都是驻极体电容式传声器(M),这种技术已有几十年的历史。

T e c h n ic a l Es s e n c E

技术精粹

5 EC

7

图M MS 传声器零高度安装示意图

底板与基材的高度为零(将传声器配置于底板背面,从而克服了产品在厚度上的限制)

普通的传声器配置方法

(在底板上配置传声器)

底板

外壳

传统ECM 是在1个金属壳体内,由1片可移动的永久充电振膜、1片与之平行的刚性背极板以及场效应晶体管(FET )构成,如图3~4所示。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[1],可以反映出入声口处声波的频率和幅度变化。

与ECM 的高分子聚合材料振动膜及电荷驻极工艺相比,MEMS 传声器如图5~6所示,采用稳定性极好的硅膜结构并不需要电荷驻极工艺,MEMS 构成的电容元件由A SIC 中的电荷泵装置提供外部直流偏置电压,稳定的直流偏置电压使硅传声器在所需的工作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数[]。M MS 芯片的外部偏置电压的灵活调整性能还支持工程人员设

计具有不同灵敏度的传声器,极大地增加了产品性能

设计的灵活性。

3

性能特点

针对传统传声器而言,不论是制作ECM 振膜和背

极板的材料,还是ECM 的永久振膜充电工艺,由于现有高分子驻极材料的温度局限性,在表面安装必需的高温下,电荷驻极性能都会因活跃电荷的逃逸显著下降[3]。因此,在传声器和电路板之间必须使用某种形式的电子连接装置(插座或弹性压缩式连接器),从而使本已很大的元件总体高度更大(与目前许多便携式电子设备的纤薄外形相比)。其次,因为ECM 不能进行表面安装,而需手工组装,故与能够采用自动分捡(pick and place)组装工艺、能被焊接到电路板上的元件相比,其组装成本更高,可靠性更低。

MEMS 传声器采用标准CM OS 材料和工艺制作,它们的构成材料硅在本质上就能耐受表面安装时所需的高温环境。特殊的封装结构又使这种传声器系统的总体高度显著降低,尤其可以制作出称为零高度安装的特殊结构(见图7)。

图2

硅传声器振膜图

图1MEMS 硅麦芯片3D 示意图

M EM S 晶圆放大照片

背板

薄膜“悬在硅芯片上的悬浮结构”

图3传统传声器原理示意图

R

E

振膜

P

背极板

空气间隙电荷驻留层金属镀层图4传统传声器封装示意图

IC

背极板

空气间隙振膜FET

场效应管

连接装置驻极体材料外壳图5MEMS 传声器原理示意图

进声孔

振膜

支架

多孔板

图6MEMS 传声器封装示意图

进声孔

基板M EM S

焊盘焊盘

M EM S

盖板

薄膜与底板

传声器壁

基板

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