發布日期：2022-10-09 點擊率：58
【導讀】現如今，社會的老齡化問題日益嚴重，喪失聽力或者聽力下降的的人口明顯遞增，助聽器的市場火爆。人們更推崇精致、輕巧、高品質的助聽器。助聽器信號鏈的前端是麥克風，它檢測語音和其他環境噪聲。
改善音頻捕捉可以提高信號鏈整體的性能并降低功耗。麥克風是把聲學信號轉換為電信號以供助聽器音頻信號鏈處理的傳感器。有許多技術可用于這種聲電轉換，但電容麥克風是其中尺寸最小、精度最高的一類麥克風。電容麥克風中的薄膜隨著聲學信號而運動，這種運動引起電容變化，進而產生電信號。
駐極體電容麥克風(ECM)是助聽器中使用最廣泛的技術。ECM采用可變電容，其一個板由具有永久電荷的材料制成。ECM在當今助聽行業聲名顯赫，但這些設備背后的技術自1960年代以來并無多大變化。其性能、可重復性以及相對于溫度和其他環境條件的穩定性不是非常好。助聽器以及其他注重高性能和一致性的應用，為新型麥克風技術的發展創造了機會。新技術應當能改善上述缺點，讓制造商生產出更高質量、更加可靠的設備。
微機電系統(MEMS)技術是電容麥克風變革的中堅力量。MEMS麥克風利用了過去數十年來硅技術的巨大進步，包括超小型制造結構、出色的穩定性和可重復性、低功耗，所有這些都已成為硅工業不折不扣的要求。迄今為止，MEMS麥克風的功耗和噪聲水平還是相當高，不宜用于助聽器，但滿足這兩項關鍵要求的新器件已經出現，正在掀起助聽器麥克風的下一波創新浪潮。
MEMS麥克風工作原理
像ECM一樣，MEMS麥克風也是電容麥克風。MEMS麥克風包含一個靈活懸浮的薄膜，它可在一個固定背板之上自由移動，所有元件均在一個硅晶圓上制造。該結構形成一個可變電容，固定電荷施加于薄膜與背板之間。傳入的聲壓波通過背板中的孔，引起薄膜運動，其運動量與壓縮和稀疏波的幅度成比例。這種運動改變薄膜與背板之間的距離，進而改變電容，如圖1所示。在電荷恒定的情況下，此電容變化轉換為電信號。
圖1. MEMS麥克風的電容隨聲波的幅度而變化
在硅晶圓上制造麥克風傳感器元件的工藝與其他集成電路(IC)的制造工藝相似。與ECM制造技術不同，硅制造工藝非常精密且高度可重復。一個晶圓上制造的所有MEMS麥克風元件都具有相同的性能，不僅如此，而且在該產品的多年生命周期中，不同晶圓上的每一個元件也都具有相同的性能。
硅制造是在嚴格控制的環境中，利用一系列沉積和蝕刻工藝，產生金屬和多晶硅的形狀集合以形成MEMS麥克風。生產MEMS麥克風涉及到的幾何結構是微米(μm)級。聲波所經過的背板中的孔直徑可以小于10 μm，薄膜厚度可以是1 μm左右。薄膜與背板之間的間隙僅有數微米。圖2所示為典型MEMS麥克風傳感器元件的SEM圖像，從頂部（薄膜）觀看。圖3所示為該麥克風元件中部的截面圖。在該設計中，聲波通過元件底部的空腔進入麥克風，并穿過背板孔以激勵薄膜。
圖2. MEMS麥克風的SEM圖像
圖3. MEMS麥克風的橫截面
由于幾何結構在制造工藝中受到嚴格控制，因此不同麥克風的實測性能具有高度可重復性。利用MEMS技術構建麥克風的另一個優勢是薄膜極小，因此其質量非常小，相比于薄膜質量大得多的ECM，MEMS麥克風不易受振動影響。
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發展、可重復性和穩定性
MEMS麥克風已發展到很高的水平，它已成為很多要求小尺寸和高性能的音頻捕捉應用的默認選擇，但大部分商用級麥克風并不適合助聽器行業，因為后者要求小得多的器件、更低的功耗、更好的噪聲性能以及更高的可靠性、環境穩定性和器件間可重復性。MEMS麥克風技術現在已經能夠滿足上述所有要求：超小型封裝、極低功耗以及極低的等效輸入噪聲。
硅制造工藝的嚴格控制措施令MEMS麥克風的穩定性和器件間性能差異顯著優于ECM。圖4所示為相同型號的數個MEMS麥克風的歸一化頻率響應，圖5所示為不同ECM的歸一化頻率響應。各MEMS麥克風的頻率響應幾乎一致，而ECM的頻率響應則顯示出相當大的器件間差異，尤其是在高頻和低頻時。
圖4. 數個MEMS麥克風的頻率響應
圖5. 三組ECM麥克風的頻率響應
MEMS麥克風還表現出卓越的寬溫度范圍穩定性。圖6所示為環境溫度在–40°C至+85°C之間改變時靈敏度的變化。黑線顯示：在MEMS麥克風的溫度范圍內，靈敏度變化小于0.5 dB；而ECM則表現出最多8 dB的變化。
圖6. 對振動的靈敏度與溫度的關系：MEMS與ECM
相比于ECM，MEMS麥克風設計的電源抑制性能顯著提高，典型電源抑制比(PSRR)優于-50 dB。在ECM上，輸出信號和偏置電壓（電源）共用一個引腳，電源上的任何紋波都會直接出現在輸出信號上。MEMS麥克風優異的PSRR為音頻電路設計提供的自由度是ECM無法比擬的。器件數量和系統成本得以降低。
在助聽器之類電池供電的微型應用中，每毫瓦功耗都至關重要。當助聽器正在工作時，麥克風無法通過周期供電來節省功耗。因此，麥克風的工作功耗極為重要。采用典型的鋅空氣電池電壓(0.9 V–1.4 V)供電時，助聽器所用典型ECM麥克風的功耗為35 μA。而在相同電壓下，助聽器所用MEMS麥克風的功耗可以降至一半，使得助聽器裝一次電池可以使用更長時間。
最新一代MEMS麥克風擁有助聽器行業要求的出色噪聲和功耗性能。ADI公司利用20多年的MEMS技術經驗來打造可用于助聽器市場的高性能麥克風。典型全向MEMS麥克風的等效輸入噪聲(EIN)特性為27.5 dB SPL（A加權、8 kHz帶寬），適合助聽應用。1/3倍頻程EIN噪聲性能通常用于指定助聽器用麥克風，在低頻時非常出色，如圖7所示。實現如此高的噪聲性能只需17 μA功耗（采用典型助聽器電池電壓）。麥克風提供微型封裝，總體積小于7.5 mm3，如圖8所示。
圖7. MEMS麥克風的1/3倍頻程噪聲
圖8. 助聽器用全向MEMS麥克風 a) 仰視圖；b) 俯視圖；c) 便于手工焊接的封裝俯視圖
結語
現如今高性能、低功耗的MEMS麥克風被證實適用于助聽器中。MEMS麥克風在性能上可與許多助聽器ECM相競爭，并在很多方面超過ECM技術，例如可重復性、穩定性、尺寸、可制造性和功耗等。已經可以預見到，MEMS麥克風在助聽器市場前景非常廣闊。
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