CMOS電容式微麥克風設計
2020-11-27 電子產品世界
隨著智慧型手機的興起，對於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。相比於傳統的駐極體式麥克風(ECM)，電容式微機電麥克風採用矽半導體材料製作，這便於集成模擬放大電路及ADC(∑-ΔADC)電路，實現模擬或數字微機電麥克風元件，以及製造微型化元件，非常適合應用於輕薄短小的可攜式裝置。本文將針對CMOS微機電麥克風的設計與製造進行介紹，並比較純MEMS與CMOS工藝微導入麥克風的差異。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/274815.htm電容式微麥克風原理
MEMS微麥克風是一種微型的傳感器。其原理是利用聲音變化產生的壓力梯度使電容式微麥克風的聲學振膜受聲壓幹擾而產生形變，進而改變聲學振膜與矽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，再經過放大電路將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。在此必須採用一個高阻抗的電阻為MEMS傳感器提供一個偏置電壓VPP，藉以在MEMS傳感器上產生固定電荷，最後的輸出電壓將與VPP及振膜的形變Δd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，但這都將受限於MEMS傳感器的吸合電壓，也就是受限於MEMS傳感器靜電場的最大極限值(圖1)。
圖1 電容式麥克風原理
CMOS微機電麥克風電路設計
在CMOS微麥克風設計中，電路是一個非常重要的環節，它將影響到微麥克風的操作、感測，以及系統的靈敏度。以圖2為例，駐極式電容微麥克風的感應電荷由駐極體材料本身提供的駐極電荷所產生，而凝縮式電容微麥克風則是採用從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(感測端)的電壓將會發生變化。最後，通過電路放大器將信號放大，則可實現模擬麥克風的電路設計;如果再加上一個∑-ΔADC模數轉換電路，便可完成數字麥克風的電路設計(一般數字麥克風的輸出信號為1比特PDM輸出)。
圖2 微麥克風電路設計簡圖
CMOS微機電麥克風工藝分類
從微機電麥克風的製造來看，就目前的技術層面而言，集成CMOS電路的MEMS元件可分為三種。Pre-CMOS MEMS工藝：先製作MEMS結構，再製作CMOS元件;Intra-CMOS MEMS工藝：CMOS與MEMS元件工藝混合製造;Post-CMOS MEMS工藝：先實現CMOS元件，再進行MEMS結構製造。一般而言，前兩種方法無法在傳統的晶圓廠進行，而Post-CMOS MEMS則可以在半導體晶圓代工廠進行生產。
圖3簡述了Post-CMOS MEMS的製造方式。在Post-CMOS MEMS工藝中需特別注意，不能讓額外的熱處理或高溫工藝影響到CMOS組件的物理特性及MEMS的應力狀態，以免影響到振膜的初始應力。鑫創科技公司克服了諸多的技術難題，完全採用標準的CMOS工藝來同時製造電路元件及微機電麥克風結構。在CMOS部分完成後，將晶片的背面研磨至適當厚度以符合封裝要求。最後，利用氫氟酸溶液(HF)去除犧牲氧化物來釋放懸浮結構。此外，在設計中還需考慮可完全去除犧牲材料而又不損害麥克風振膜的蝕刻方法，並應避免麥克風振膜與背電極板之間產生粘黏現象。
圖3 Post-CMOS MEMS微麥克風的基本結構及工藝步驟
粘黏現象：由於麥克風振膜與背電極板之間的距離僅為數微米，在該尺寸下，當表面張力、範德華力、靜電力、離子鍵等作用力大於麥克風振膜的回覆力時，麥克風振膜將產生永久形變而附著於背電極板上，從而無法產生振動。通常，微機電懸浮結構粘黏現象的主要成因可以分為兩類：第一類發生在麥克風振膜釋放後，麥克風振膜受到表面張力影響，因而被拉近到與背電極板的距離非常靠近，若此時範德華力或氫鍵力等表面力大於麥克風振膜的回覆力，則結構將產生粘黏現象而無法回復;第二類是懸浮結構在使用中受到外力衝擊或是靜電力吸引而落入表面力較回復力大的區域，則也會發生粘黏現象。因此，在結構設計上，必須特別考慮麥克風振膜在釋放後的結構變形問題，並在重要的結構部位予以強化，利用特殊設計來減少粘黏現象的發生。
純MEMS與CMOS工藝的差異
多數企業所開發的MEMS微麥克風主要分為兩種形態：第一種是利用專業的MEMS代工廠製造出MEMS IC，再加上一個ASIC放大器，將MEMS IC及ASIC IC用SIP封裝方式封裝成MEMS麥克風晶片。這一部分在IC封裝過程中必須保護振膜不被破壞，其封裝成本相對較高;另一種是先利用CMOS晶圓廠製造出ASIC部分，再利用後工藝來形成MEMS的結構部分。其MEMS工藝技術目前似乎還無法在標準的CMOS晶圓廠完成，這主要是由于振膜需沉積高分子聚合物材料，而高分子聚合物材料還未用於目前的標準半導體IC工藝。另外，在CMOS工藝完成後，需分別在晶片的正面蝕刻出振膜並在其背面蝕刻出腔體及聲學孔。該步驟通過載體晶圓(Carrier Wafer)來完成，在標準的CMOS鑄造廠目前尚未創建出這樣的環境。
目前，最大的課題是如何突破這兩種形態MEMS麥克風的封裝技術。其專利均由美國的微麥克風企業所掌控，因此，MEMS麥克風市場佔有率主要分布在少數企業手上。
鑫創科技採取的方式是在CMOS工藝完成後，從晶片的背面形成腔體和聲學孔作為MEMS結構的釋放。這一部分無需使用特殊的機器和材料，可在現有的CMOS晶圓廠內完成，因而能夠降低開發成本。另外，鑫創科技的產品可直接利用晶圓級封裝技術將CMOS電路與微麥克風集成在同一塊晶片上，同樣可避免在封裝過程中對振膜產生破壞(圖4)。
圖4 微機麥克風掃描電路
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