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電容式微麥克風結構原理

文章出處:青興偉業網絡編輯部 發表時間:2018-09-13 15:51

壓電式(Piezoelectric)、壓阻式(Piezoresistive)與電容式(Capacitive)是目前常見的微麥克風技術。壓電式麥克風利用壓電材料受力后會輸出電流或電壓的特性,將聲音訊號轉換成電訊號,并在經過放大之后輸出,而壓阻式麥克風是利用壓阻材料在受力之后電阻特性發生改變。通常上述兩款麥克風對聲壓的敏感度較低、并且系統雜訊較大。由于電容式微麥克風具有高感度及低功耗等優良特性,是目前市場發展的主流。

 

如圖(1)所示,電容式麥克風的結構主要利用兩片導電板及兩板之間的絕緣空氣層來形成一基本電容構造,此兩片導電板通常分別被稱為“振膜”( Membrane)與“背板”(Backplate)。理想的振膜為一極柔軟的彈性薄膜,受到聲壓作用時會產生振動,因而產生微小距離改變,造成振膜和背板之間的動態微位移,因此使該結構的電容值亦隨之改變。

 

圖1 電容式麥克風的結構原??理


如圖(2)所示,MEMS麥克風的感測器晶片構造通常是由一層較薄且低應力的復晶矽或氮化矽形成振膜,另以一較厚的復晶矽或是金屬層形成具有多孔結構的背板,共同形成一組以空氣作為介電層的微電容器構造。除了必要的MEMS感測器之外,在MEMS麥克風的封裝體內通常還須搭配另一顆電路晶片,提供給該MEMS晶片正常操作時需要的穩定偏壓、并將訊號經過放大處理后輸出,一般泛稱為ASIC (Application-Specific IC)。

 

圖2 MEMS 麥克風感測晶片的構造示意圖


 

MEMS麥克風使用的ASIC因產品應用類別不同,區分為類比式和數位式兩款。類比式的ASIC其基本架構主要是由“倍壓電路”(Charge Pump)、“電壓穩定器”(Voltage Regulator)及“放大器”(Amplier)三大功能區塊的電路所組成。

 


倍壓電路目的是藉由對輸入的電源進行增壓處理,以提供MEMS晶片所需之較高操作電壓。放大器電路功用在于放大及穩定輸入訊號。電壓穩定器的功能則是在ASIC電源輸入端提供穩壓處理,使晶片內部各電路區塊皆能正常運作。而數位式ASIC除了同時具備上述三項基本功能區塊之外,還增加了所謂“三角積分調變器”(Sigma Delta Modulator)電路,來負責訊號的取樣與抑制雜訊等任務。

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