MEMS麥克風(fēng)的基本原理

1、前言前言 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的問(wèn)世和應(yīng)用讓麥克風(fēng)變得越來(lái)越小，性能越來(lái)越高。MEMS麥克風(fēng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，高信噪比，低功耗，高靈敏度，所用微型封裝兼容貼裝工藝，回流焊對(duì)MEMS麥克風(fēng)的性能無(wú)任何影響，而且溫度特性非常出色。MEMS麥克風(fēng)的聲學(xué)傳感器麥克風(fēng)的聲學(xué)傳感器MEMS麥克風(fēng)所用的聲學(xué)傳感器是利用半導(dǎo)體生產(chǎn)線制作且通過(guò)高度自動(dòng)化過(guò)程封裝的芯片。MEMS麥克風(fēng)的制造過(guò)程是，首先，在晶圓上沉積數(shù)層不同的物質(zhì)，然后蝕去無(wú)用的物質(zhì)，在基礎(chǔ)晶片上形成一個(gè)腔室，在腔室上覆蓋一層能夠運(yùn)動(dòng)的振膜和一個(gè)固定的背板。傳感器背板具有優(yōu)良的剛性，采用通孔結(jié)構(gòu)，通風(fēng)性能優(yōu)異；而振膜是一個(gè)很薄的實(shí)心結(jié)構(gòu)，

2、當(dāng)聲波引起氣壓變化時(shí)，振膜將會(huì)彎曲。振膜較薄，易彎曲。當(dāng)聲波引起的氣壓變化時(shí)，振膜會(huì)隨著氣壓變化而彎曲；背板較厚且多孔，當(dāng)空氣流過(guò)時(shí)，背板保持靜止。當(dāng)振膜運(yùn)動(dòng)時(shí)，振膜與背板之間的電容量將會(huì)變化。ASIC器件可將這種電容變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。MEMS麥克風(fēng)麥克風(fēng)ASIC在MEMS麥克風(fēng)內(nèi)，ASIC芯片利用電荷泵在麥克風(fēng)振膜上放置一個(gè)固定的參考電荷。當(dāng)振膜運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致振膜與背板之間的電容量發(fā)生變化時(shí)，ASIC測(cè)量電壓變化測(cè)量電壓變化。模擬MEMS麥克風(fēng)的輸出電壓與瞬間氣壓成正比。模擬麥克風(fēng)通常只有三個(gè)引腳：輸出、電源電壓(VDD)和地。雖然模擬MEMS麥克風(fēng)的接口在原理上比較簡(jiǎn)單，但是，為避免在麥克風(fēng)輸出

3、與信號(hào)接收芯片的輸入之間出現(xiàn)拾起噪音，模擬信號(hào)要求工程師必須精心設(shè)計(jì)印刷電路板和線纜。大多數(shù)應(yīng)用還需要低噪音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬麥克風(fēng)輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，用于后序處理和/或傳輸。顧名思義，數(shù)字MEMS麥克風(fēng)的輸出為數(shù)字信號(hào)，可在高低邏輯電平之間轉(zhuǎn)換。大多數(shù)數(shù)字麥克風(fēng)采用脈沖密度調(diào)制技術(shù)脈沖密度調(diào)制技術(shù) (PDM)，生成過(guò)采樣率較高的單個(gè)比特的數(shù)據(jù)流。脈沖密度調(diào)制麥克風(fēng)的脈沖密度與瞬間空氣壓力級(jí)成正比。脈沖密度調(diào)制技術(shù)與D類功放所用的脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)）技術(shù)相似，不同之處是，脈寬調(diào)制技術(shù)的脈沖間隔時(shí)間是定量，使用脈寬給信號(hào)編碼，而脈沖密度調(diào)制則相反，脈寬是定量，使用脈沖間隔時(shí)間給信

4、號(hào)編碼。除輸出、地和VDD引腳外，大多數(shù)數(shù)字麥克風(fēng)還有時(shí)鐘輸入和L/R控制輸入。時(shí)鐘輸入用于控制-調(diào)制器，將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PDM數(shù)字信號(hào)。數(shù)字麥克風(fēng)的典型時(shí)鐘頻率通常在1MHz至3.5MHz之間。麥克風(fēng)輸出信號(hào)在所選時(shí)鐘邊沿進(jìn)入適合的邏輯狀態(tài)，在另半個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。這個(gè)兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)的輸入共用一條數(shù)據(jù)線。L/R輸入確定有效數(shù)據(jù)是在哪一個(gè)時(shí)鐘邊沿上。數(shù)字麥克風(fēng)輸出相對(duì)來(lái)說(shuō)具有較高的抗噪性，但是信號(hào)完整性卻是一個(gè)令人們關(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)榧纳娙菀约胞溈孙L(fēng)輸出與系統(tǒng)芯片之間的電感導(dǎo)致信號(hào)失真。阻抗失匹也會(huì)產(chǎn)生反射問(wèn)題，若數(shù)字麥克風(fēng)與系統(tǒng)芯片間隔較大，反射現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。雖然數(shù)字

5、麥克風(fēng)不需要編解碼器，但是，脈沖密度調(diào)制輸出的單比特PDM格式在大多數(shù)情況下必須轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成多比特脈沖代碼調(diào)制多比特脈沖代碼調(diào)制(PCM)格式格式。很多編解碼器和系統(tǒng)芯片都有PDM輸入，其內(nèi)部濾波器負(fù)責(zé)將PDM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PCM格式。微控制器也使用同步串行接口捕獲數(shù)字麥克風(fēng)的PDM數(shù)據(jù)流，然后通過(guò)軟件濾波器將其轉(zhuǎn)換成PDM格式。MEMS麥克風(fēng)封裝麥克風(fēng)封裝MEMS麥克風(fēng)采用由基板和封裝蓋組成的空心封裝，內(nèi)部組件包括聲學(xué)傳感器和接口ASIC。封裝基板下面是焊盤，用于將麥克風(fēng)焊接在電路板或撓性電路上。在大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)的內(nèi)部，MEMS聲學(xué)傳感器和接口ASIC是兩顆獨(dú)立的芯片，為制作能夠移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，聲

6、學(xué)傳感器的制造工藝經(jīng)過(guò)優(yōu)化改良，而ASIC芯片則采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝。ASIC通過(guò)引線鍵合方法連接到傳感器和基板，然后將封裝蓋扣在基板上并進(jìn)行密封處理。 為讓聲音能夠傳入聲學(xué)傳感器，MEMS麥克風(fēng)需要在封裝上開孔。聲孔位置可以在封裝蓋上(上置聲孔)或在焊盤附近(下置聲孔)。下置聲孔麥克風(fēng)還要求在電路板上的麥克風(fēng)安裝位置開一個(gè)孔，讓聲音能夠穿過(guò)電路板傳入麥克風(fēng)聲孔。麥克風(fēng)是選用上置聲孔還是下置聲孔，通常取決于多種因素，例如，麥克風(fēng)的安裝位置和廠家的考慮。性能也是麥克風(fēng)選型的一個(gè)主要因素，因?yàn)樯现寐暱溈孙L(fēng)的性能通常低于下置聲孔麥克風(fēng)置聲孔麥克風(fēng)的性能通常低于下置聲孔麥克風(fēng)。但是，高性能

7、上置聲孔麥克風(fēng)的問(wèn)世，例如，意法半導(dǎo)體的MP34DT01，徹底顛覆了上置聲孔麥克風(fēng)的性能。 聲學(xué)傳感器振膜將MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部分成兩部分。聲孔聲孔與傳感器振膜之間區(qū)域通常稱為前室與傳感器振膜之間區(qū)域通常稱為前室，振膜的另一部分稱作后室(見(jiàn)圖5)。下置聲孔麥克風(fēng)通常將傳感器直接置于聲孔上，這種設(shè)計(jì)有多個(gè)好處。大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)的靈敏度隨頻率升高而提高，這是聲孔的空氣與麥克風(fēng)前室的空氣相互這是聲孔的空氣與麥克風(fēng)前室的空氣相互作用的結(jié)果。這種交互作用產(chǎn)生了作用的結(jié)果。這種交互作用產(chǎn)生了Helmholtz諧振，這與吹瓶產(chǎn)生的聲音的現(xiàn)象相同。像吹諧振，這與吹瓶產(chǎn)生的聲音的現(xiàn)象相同。像吹瓶子一樣，空氣容

8、積越小，諧振頻率越高；反之，空氣容積越大，諧振頻率越低。下置聲孔瓶子一樣，空氣容積越小，諧振頻率越高；反之，空氣容積越大，諧振頻率越低。下置聲孔麥克風(fēng)將聲學(xué)傳感器直接置于聲孔之上，這樣設(shè)計(jì)導(dǎo)致前室變小，從而導(dǎo)致麥克風(fēng)將聲學(xué)傳感器直接置于聲孔之上，這樣設(shè)計(jì)導(dǎo)致前室變小，從而導(dǎo)致Helmholtz諧振諧振的中心頻率提高。因?yàn)榈闹行念l率提高。因?yàn)镠elmholtz諧振通常位于音頻帶的高頻部分，所以提高的諧振頻率使諧振通常位于音頻帶的高頻部分，所以提高的諧振頻率使頻響變得更加平坦。頻響變得更加平坦。將聲學(xué)傳感器直接置于聲孔上還有助于產(chǎn)生更大的后室。后室空氣容積變大后，聲波更容易后室空氣容積變大后，聲波

9、更容易推動(dòng)振膜運(yùn)動(dòng)，從而提高麥克風(fēng)的靈敏度和信噪比。后室空氣容積變大還能提高麥克風(fēng)的低推動(dòng)振膜運(yùn)動(dòng)，從而提高麥克風(fēng)的靈敏度和信噪比。后室空氣容積變大還能提高麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)。頻響應(yīng)。上置聲孔麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)與下置聲孔麥克風(fēng)相似，都是將聲學(xué)傳感器和接口芯片安裝在基板上，采用空心的密閉封裝。這兩種麥克風(fēng)的唯一區(qū)別是，上置聲孔的麥克風(fēng)是將傳聲孔置于封裝蓋上，而下置聲孔麥克風(fēng)是將傳聲孔放在基板上。因此，將傳聲孔從基板移到封裝蓋后，以前下置聲孔麥克風(fēng)的前室變成了上置聲孔麥克風(fēng)的后室，而后室則變成了前室。傳統(tǒng)上置聲孔麥克風(fēng)的后室空氣容積較小，推動(dòng)振膜運(yùn)動(dòng)的難度增加，這破壞了聲學(xué)傳感器的靈敏度，導(dǎo)致信噪比降低。

10、此外，在聲孔與振膜之間的前室空氣容積變大后，諧振頻率將聲孔與振膜之間的前室空氣容積變大后，諧振頻率將會(huì)降低，從而影響麥克風(fēng)的高頻響應(yīng)會(huì)降低，從而影響麥克風(fēng)的高頻響應(yīng)。綜上所述，不論是低頻還是高頻，上置聲孔麥克風(fēng)的信噪比和頻響兩項(xiàng)指標(biāo)都相對(duì)較差，性能不如下置聲孔麥克風(fēng)出色。而意法半導(dǎo)體的MP34DT01上置數(shù)字MEMS麥克風(fēng)卻是一個(gè)例外。意法半導(dǎo)體獨(dú)有的封裝技術(shù)將MEMS傳感器和接口芯片安裝在MP34DT01封裝蓋的內(nèi)側(cè)，將傳感器直接置于聲孔的下面(見(jiàn)圖7和8)。這種設(shè)計(jì)方法可獲得小前室和大后室，讓MP34DT01取得與下置聲孔麥克風(fēng)MP34DB01相同的性能。MEMS麥克風(fēng)性能評(píng)測(cè)麥克風(fēng)性能評(píng)

11、測(cè)帕斯卡(Pa)是壓力的線性國(guó)際單位制，表示單位面積上的壓力(1Pa=1N/m2)。不過(guò)，對(duì)數(shù)單位制更適用研究聲壓級(jí)（SPL），因?yàn)槿硕鷦?dòng)態(tài)范圍大，能夠察覺(jué)從最低20微帕到高達(dá)20帕的聲壓。因此，麥克風(fēng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)通常用分貝(dB)表示，0dBSPL等于20Pa，1 Pa等于等于94dB SPL。下面的參數(shù)通常是最重要的麥克風(fēng)性能指標(biāo)：信噪比信噪比(SNR)信噪比(SNR)通常是最重要的麥克風(fēng)性能指標(biāo)。信噪比是麥克風(fēng)的靈敏度與背景噪聲的差值，通常用dB表示。現(xiàn)有MEMS麥克風(fēng)的信噪比是在56dB至66dB之間。靈敏度靈敏度麥克風(fēng)靈敏度是用于測(cè)量麥克風(fēng)對(duì)已知聲壓級(jí)的響應(yīng)能力。靈敏度通常在靈敏度

12、通常在94dB 聲壓級(jí)聲壓級(jí)(1 Pa)條件下使用條件下使用1kHz頻率進(jìn)頻率進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。行測(cè)量的結(jié)果。模擬麥克風(fēng)的靈敏度通常表示為相對(duì)于1VRMS信號(hào)的分貝數(shù)(dBV)，而數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度通常表示為相對(duì)于麥克風(fēng)滿量程輸出的分貝數(shù)(dBFS)。背景噪聲背景噪聲麥克風(fēng)的背景噪聲又稱本底噪聲，是指在較安靜的環(huán)境內(nèi)，麥克風(fēng)輸出中的噪聲量。聲學(xué)傳感器和接口聲學(xué)傳感器和接口ASIC都會(huì)向都會(huì)向麥克風(fēng)輸出信號(hào)注入噪聲。傳感器噪聲是空氣分子隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的麥克風(fēng)輸出信號(hào)注入噪聲。傳感器噪聲是空氣分子隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而ASIC的噪聲源則是前置放大器，數(shù)字麥的噪聲源則是前置放大器，數(shù)字麥克風(fēng)克風(fēng)AS

13、IC的噪聲源是的噪聲源是-調(diào)制器調(diào)制器。應(yīng)在全音頻帶內(nèi)測(cè)量背景噪聲，而A加權(quán)濾波器用于更精確地測(cè)量人耳能夠聽(tīng)到的噪聲級(jí)。背景噪聲不總是出現(xiàn)在麥克風(fēng)數(shù)據(jù)表內(nèi)，但是，只要用靈敏度減去信噪比即可算出背景噪聲，數(shù)值單位為dBV或dBFS。從測(cè)量靈敏度（通常是94dBSPL）的聲壓級(jí)中減去信噪比，可以算出用等效輸入噪聲表示的背景噪聲，單位為dBSPL。失真失真(THD)失真是測(cè)量麥克風(fēng)拾音精度的指標(biāo)。失真的條件通常是在94dB100dBSPL范圍內(nèi)，表示在正常聲壓級(jí)條件下音頻信號(hào)的質(zhì)量。聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)(AOP)在麥克風(fēng)聲壓級(jí)開始接近聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)之前，失真通常不會(huì)隨著聲壓級(jí)升高而大幅增加。但是，當(dāng)達(dá)到

14、過(guò)載點(diǎn)時(shí)，失真開始快速升高。麥克風(fēng)聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)通常是指失真達(dá)到10%時(shí)的聲壓級(jí)。頻頻響響MEMS麥克風(fēng)頻響是在不同頻率時(shí)指靈敏度的變化。麥克風(fēng)頻響通常在1kHz時(shí)設(shè)為0dB，對(duì)不同頻率下的靈敏度進(jìn)行歸一化處理。大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)的靈敏度都低于100Hz，在出現(xiàn)Helmholtz諧振后開始上諧振后開始上升，達(dá)到大約升，達(dá)到大約4kHz至至6kHz之間。這就是許多MEMS麥克風(fēng)將頻響指定在100Hz至10kHz之間的原因。不過(guò)，高性能的MEMS麥克風(fēng)在20Hz至20kHz全音頻帶內(nèi)擁有較平坦的頻響曲線。電源抑制比電源抑制比(PSR)麥克風(fēng)電源抑制比是評(píng)價(jià)麥克風(fēng)防止噪聲從電源輸入端進(jìn)入輸出端的能力指

15、標(biāo)。電源抑制比通常是在音頻帶內(nèi)使用通過(guò)仿真GSM蜂窩無(wú)線電產(chǎn)生的TDMA噪聲的217Hz方波和/或掃描正弦波來(lái)指定。更高信噪比更高信噪比MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品性能正在不斷提高。幾年前，信噪比還是在55-58dB區(qū)間，如今，已經(jīng)達(dá)到63-66dB，拾音信號(hào)更加清晰，在同等清晰度下，麥克風(fēng)的應(yīng)用距離變得更遠(yuǎn)。自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別算法取得良好的識(shí)別率需要更高的信噪比。更高聲壓級(jí)更高聲壓級(jí)很多用戶需要聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)更高的麥克風(fēng)，防止在吵鬧的環(huán)境中麥克風(fēng)失真。在聲壓級(jí)高于聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)時(shí)，麥克風(fēng)將會(huì)產(chǎn)生削波失真，導(dǎo)致吵鬧環(huán)境的錄音（例如搖滾樂(lè)）無(wú)法使用。更小封裝更小封裝隨著消費(fèi)者對(duì)輕薄產(chǎn)品的需求日益提高，MEMS麥克風(fēng)正在

16、不斷縮小封裝。早期的MEMS麥克風(fēng)封裝尺寸為3.76mmx4.72mmx1.25mm，如今，3mmx4mmx1mm和2.95mmx3.76mmx1mm是常見(jiàn)的封裝尺寸。更新的MEMS麥克風(fēng)為2.5mmx3.35mmx0.98mm和2.65mmx3.5mmx0.98mm。這種小型化趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)下去，不過(guò)，隨著封裝縮小，后室面積也會(huì)隨之縮減，音質(zhì)提升甚至保持現(xiàn)有水平都會(huì)變得很難。降低環(huán)境噪聲降低環(huán)境噪聲很多智能手機(jī)和平板電腦為實(shí)現(xiàn)錄像等功能，都開始安裝多個(gè)麥克風(fēng)。降低環(huán)境噪聲是多麥克風(fēng)組合的另一種常見(jiàn)應(yīng)用。很多智能手機(jī)在頂部或背面裝有一支麥克風(fēng)，用于檢測(cè)周圍環(huán)境噪聲，然后從話筒輸出中減去環(huán)境噪聲成份，從而提高音頻信號(hào)的純凈度。以錄像為主要用途的麥克風(fēng)經(jīng)常用于降低環(huán)境噪聲。聲聲波聚束波聚束兩個(gè)以上的麥克風(fēng)還用于執(zhí)行聲波聚束功能，處理麥克風(fēng)陣列的輸出信號(hào)，提高沿某一個(gè)方向的靈敏度，同時(shí)抑制其它方向的聲音。多數(shù)麥克風(fēng)提供全向輸出，即所有方向的靈敏度相同，但是，在多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員需要將靈敏度聚焦于某一個(gè)方向，并降低其它方向的靈敏度，以提高音質(zhì)的清晰度。聲波聚束利用不同方向的聲音的相位差，將麥克風(fēng)的靈敏度聚焦于某一個(gè)方向。聲波聚束還能用于確定音源方位。