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電容式咪頭mic與CMOS硅咪頭原理

文章出處:青興偉業網絡編輯部 發表時間:2020-12-01 11:08
隨著 智能手機 的興起,對于聲音品質和輕薄短小的需求越來越受到大家的重視,近年來廣泛應用的 噪聲抑 制及回聲消除 技術均是為了提高聲音的品質。

  相比于傳統的 駐極體 咪頭 (ECM ),電容式微機電 咪頭 采用硅半導體材料制作,這便于集成模擬放大電路及 ADC( ∑-? ADC) 電路,實現模擬或數字微機電咪頭 元件, 以及制造微型化元件, 非常適合應用于輕薄短小的便攜式裝置。

  電容式微咪頭原理

  MEMS 咪頭是一種微型的傳感器。其原理是利用聲音變化產生的力梯度使電容式微咪頭的聲學振 膜受聲壓干擾而產生形變,進而改變學振膜與硅背極板之間的電容值。

  該電容值的變化由電容電壓轉換 電路轉化為電壓值的輸出變化, MEMS 傳感器產生得到電壓放大輸出, 從而將聲壓信號 轉化成電壓信號。在此必須采用一個高阻抗的電阻為 MEMS 傳感器提供一個偏置電壓 VPP ,借以在 MEM S 傳感器上產生固定電荷, 最后的輸出電壓將與 VPP 及振膜的形變 ? d 成正比。

  振膜的形變與其剛性有關, 剛性越低則形變越大;另一方面,輸出電壓與 d(氣隙 )成反比,因此氣隙越低,則輸出電壓及靈敏度越優, 但這都將受限于 MEMS 傳感器的吸合電壓,也就是受限于 MEMS 傳感器靜電場的最大極限值

  CMOS 微機電咪頭電路設計

  在 CMOS 咪頭設計中,電路是一個非常重要的環節,它將影響到微咪頭的操作、感測,以及系統的 靈敏度。

  駐極式電容微咪頭的感應電荷由駐極體材料本身提供的駐極電荷所產生,而凝縮 式電容微咪頭則是采用從 CMOS 的操作電壓中抽取一個偏置電壓, 再通過一個高阻抗電阻提供給微麥克 風的聲學振膜來提供固定的電荷源。

  此時,若聲學振膜受到聲壓驅動而產生位移變化,則電極板 的電壓將會發生變化。最后,通過電路放大器將信號放大,則可實現模擬咪頭的電路設計;

  如果再加上 一個 ∑-? ADC 模數轉換電路, 便可完成數字咪頭的電路設計 (一般數字咪頭的輸出信號為 1 比特 PDM 輸出 )。從微機電咪頭的制造來看,就目前的技術層面而言,集成 CMOS 電路的 MEMS 元件可分為三種。

  PreCMOS MEMS

  工藝:先制作 MEMS 結構,再制作 CMOS 元件; Intra-CMOS MEMS

  工藝: CMOS M EMS 元件工藝混合制造; Post-CMOS MEMS

  工藝:先實現 CMOS 元件,再進行 MEMS 結構制造。

  一般 而言,前兩種方法無法在傳統的晶圓廠進行, Post-CMOS MEMS 則可以在半導體晶圓代工廠進行生產。

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