传统驻极体电容器麦克风（ECM）作为一种机电元件一直以来都用于数以十亿计的手机、笔记本电脑等便携式电子设备中。不过，曩昔50年间，ECM一直没有什么根本性改动，并且，因为存在很多的机械和环境噪声问题，它在新式便携式设备中的功用性受到限制，成为音频体系规划人员、机械规划人员以及制造商的要害“痛点”。
本文将描绘规划人员和制造商怎么可以运用依据CMOS（互补金属氧化物半导体）MEMS（微机电体系）技能的下一代麦克风来战胜ECM的很多相关问题。
麦克风技能的演化：从ECM到硅晶技能
传统ECM是一个金属罐，由一层可移动的永久充电振膜和一块与之平行的刚性背板以及场效应晶体管（FET）构成，如图1所示。声波使振膜曲折，改动振膜和背板之间的气隙间隔，然后使振膜和背板之间的电容发生改动，这种改动以电压改动的方式输出，可反映出进入声波的频率和起伏。
图1所示为一典型的音频体系规划，其间，FET的源极接地，漏极一般经过一个2.2k的电阻偏置。
图1：驻极体电容器麦克风（ECM）的横截面简图。
需注意，ECM的振膜与FET的栅极相连接，如图2所示。ECM的输出经过一个串联电容被AC耦合到前置扩大器。这一AC耦合电容供给了一个单极高通滤波器（HPF），有助于过滤掉可能使模数转换器（ADC）进一步饱满的有害低频成份。尽管ECM的输出是单端的，为取得最佳噪声功用，规划人员一般经过从ECM邻近的未用前置扩大器输入各发生一道路迹，并使两道路迹坚持平衡，再运用一个差分输入扩大器，消除了两道路迹中的共模板级噪声源。
图2：选用ECM和集成式FET的音频体系的典型示意图。
麦克风规划的应战：削减噪声
频体系规划人员的首要应战是在体系规划中使整体噪声最低。ECM的噪声由若干来历决议：偏置电压动摇引起的电子噪声，FET噪声，板级噪声，振膜的声响自噪声，以及被耦合到FET的高阻抗输入的外部电磁（EM）场和射频（RF）场。
当安顿有ECM的体系接近带有功率操控的射频发射器时，功率操控发生的RF信号的音频成份可经过麦克风解调，转换为可闻于音频途径的声响信号。低功率的便携式设备一般运用功率门限（powergaTIng）技能，不在运用中时就关断RF。这种门限在音频下呈现。
在ECM中，由FET的高阻抗栅极来调校发射功率扩大器的门限（在音频频段内呈现），并扩大信号。一旦信号进入音频频段，就很难消除。当音频信号发生可听见的搅扰（一般称为击穿噪声）时，RF功率扩大器的功率门限敞开。削减ECM击穿噪声最有用的办法是把栅极引线长度减至最短，并用一个电容来滤除手机、笔记本电脑等配备有Wi-Fi功用的无线体系中呈现的RF搅扰。这一电容应该加在FET的漏极上，并最好坐落麦克风罐内部。该电容容值依据搅扰场的载波频率和电容的最佳衰减频率来挑选。电容的衰减频率可从制造商供给的规范手册中查到。
音频体系中另一个最常见的噪声源是电源（偏置电压）动摇。ECM是低敏感度的麦克风，输出10mVrms数量级的很小的模仿信号。因为ECM没有任何电源按捺（PSR）才能，电源很小的动摇就能引起用户能听到小输出信号动摇。因而，为了坚持最佳信噪比，应该选用额定的滤波元件来坚持麦克风偏置电源的“洁净”。
在音频体系中运用ECM还带来了许多机械规划和制造方面的应战。首要也是最重要的，尽管ECM一直在不断缩小，但它已达到其尺度极限，再进一步变小，就得支付敏感性、频率响应及噪声等功用下降的价值。现在，便携式电子设备中所用ECM的规范尺度规模为直径4～6mm，高度1.0～2.0mm。
另一项应战是ECM不只可以检测声响信号，还能检测出机械振荡，并终究把振荡转换为低频声响信号。当ECM被置于振荡环境时，比方装置在电风扇或大型喇叭邻近的电路板上，音频体系的首要噪声源将是振荡。削减麦克风处振荡的仅有办法是，在把麦克风装置在电路板上时，选用额定的机械阻隔资料。
此外，不论是制造ECM振膜和背板的资料，仍是ECM的永久振膜充电，在外表装置必需的高温下，功用都会明显下降。因而，在麦克风和电路板之间有必要运用某种方式的电子互连（插座或弹性紧缩式连接器），然后使本已很大的元件整体高度更大（与现在许多便携式电子设备的纤薄外形比较）。终究，因为ECM不能进行外表装置，而需手艺拼装，故与可以选用主动分捡（pickandplace）拼装工艺，能被焊接到电路板上的元件比较，它的拼装本钱更高，可靠性更低。
AkusTIca公司正在运用称为CMOSMEMS的最新式MEMS技能开发新一代的单芯片硅晶麦克风。不同于其它硅晶麦克风需求至少两块硅芯片，一块用作硅晶麦克风换能器单元，另一块用作集成电路（IC），CMOSMEMS麦克风是单块式集成电路，其间MEMS换能器单元由规范CMOS晶圆中的金属介电质结构构成。因为CMOSMEMS麦克风是选用业界规范CMOS工艺和现在用来制造集成电路的设备制造的，故该器材可以在全球任何一家CMOS晶圆厂出产。CMOSMEMS器材的制造已在九家不同的晶圆厂，经从0.6微米三层金属工艺到0.18微米铜互连工艺的11种不同CMOS技能得到验证。成果证明这项技能具有半导体制造的高良率和可重复性，可以以极高批量大规模出产。
在CMOSMEMS渠道上开发的单块集成电路硅晶麦克风处理方案使消费电子设备规划人员和制造商得以防止很多ECM相关问题。图3是一个单芯片硅晶麦克风的俯视图和横截面图。这一单块芯片由MEM换能器（transducer）和阻抗匹配线路组成，它也是一个带有可移动振膜和刚性背板的电容性传感器。
图3:CMOSMEMS麦克风芯片的俯视图（a）和横截面图（b）。
图4所示为一个选用了CMOSMEMS模仿麦克风的典型音频体系。鉴于CMOSMEMS麦克风更类似于模仿IC而非ECM，它也选用类似于IC的供电分式，直接连接到电源。电源输入和体系其余部分之间的片上阻隔为元件增加了PSR，使CMOSMEMS麦克风本质上比ECM具有更强的抗电源噪声才能，并不再需求额定的滤波线路来坚持电源线的“洁净”。
图4：选用CMOSMEMS麦克风的典型音频体系示意图。
当在微米级的声学结构内制造电子线路时，线迹长度很短，可以进步削减击穿噪声的才能。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麦克风中，因为是片上扩大级，隔阂和前置扩大器的间隔极短，输入输出阻隔更好。因为有电源和输出信号阻隔更好，加上隔阂到前置扩大器的间隔更短，简直没有可能会把电磁场耦合到麦克风里。
CMOSMEMS麦克风还处理了运用ECM所遇到的许多机械规划和制造方面的应战。首要，CMOSMEMS麦克风单块集成电路的特性使其占位面积和高度比传统ECM尺度的一半还要小。其次，CMOSMEMS麦克风振膜的尺度和质量都很小，较之直径4-6mm的ECM振膜，其直径小于0.5mm，进步了抗振荡性。第三，因为CMOSMEMS麦克风是选用规范CMOS资料和工艺制造的，它们本质上就可以耐受外表装置时所需的高温环境。无需机械互连又使这种麦克风体系的整体高度明显下降。终究，CMOS硅晶麦克风具有外表装置和分捡兼容性，不再需求进行手艺拼装，故而下降了本钱，并进步了可靠性、出产才能和良率。
CMOSMEMS麦克风还可以在芯片上集成一个模数转换器，构成一个具有健旺数字输出的麦克风。因为大多数便携式运用终究都会把麦克风的模仿输出转换为数字信号来处理，因而体系架构可以规划成彻底数字式的，这样一来，就从电路板上去掉了很简单发生噪声的模仿信号，并简化了整体规划。
运用数字CMOSMEMS麦克风的优点在麦克风和CODEC之间需求很长电缆的运用中最为明显，比方笔记本电脑渠道，为达最佳声效，一般麦克风被装置在显示器中，而CODEC则装置在电脑主体的母板上。在这种景象下，有许多电缆线和电子噪声源会对笔记本电脑显示器周围的小模仿声响信号发生搅扰，故需求屏蔽布线（shieldedcabling）和其它过滤元件来将搅扰减至最小。但是，若运用数字CMOSMEMS麦克风，则无需屏蔽布线或过滤元件，简化了规划，削减了整体元件数目，下降了资料清单（BOM）本钱。
本文小结
在为当时的下一代便携式电子设备规划音频体系时，CMOSMEMS麦克风可以处理运用ECM所无法处理的许多困难。表1总结了ECM麦克风和CMOSMEMS麦克风之间的不同之处，便于体系和机械规划人员以及制造商更好地运用CMOSMEMS麦克风。
表1:ECM麦克风和CMOSMEMS麦克风的首要特性比较。
运用AkusTIca公司的专利CMOSMEMS技能，可以把振膜与强有力的模数信号处理功用集成在单块芯片中，然后完成可用于未来的便携式电子设备的下一代麦克风。CMOSMEMS麦克风供给的这种规划简单性和出产功率将使手机、PC机、PDA和很多其它消费电子产品的规划人员及制造商可以制造出更微弱、功用更丰厚、本钱更低的产品，更好地为商场服务。
