MEMS麥克風的基本原理

1、前言前言 微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的問世和應用讓麥克風變得越來越小，性能越來越高。MEMS麥克風具有諸多優(yōu)點，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MEMS麥克風的性能無任何影響，而且溫度特性非常出色。MEMS麥克風的聲學傳感器麥克風的聲學傳感器MEMS麥克風所用的聲學傳感器是利用半導體生產(chǎn)線制作且通過高度自動化過程封裝的芯片。MEMS麥克風的制造過程是，首先，在晶圓上沉積數(shù)層不同的物質(zhì)，然后蝕去無用的物質(zhì)，在基礎晶片上形成一個腔室，在腔室上覆蓋一層能夠運動的振膜和一個固定的背板。傳感器背板具有優(yōu)良的剛性，采用通孔結(jié)構(gòu)，通風性能優(yōu)異；而振膜是一個很薄的實心結(jié)構(gòu)，

2、當聲波引起氣壓變化時，振膜將會彎曲。振膜較薄，易彎曲。當聲波引起的氣壓變化時，振膜會隨著氣壓變化而彎曲；背板較厚且多孔，當空氣流過時，背板保持靜止。當振膜運動時，振膜與背板之間的電容量將會變化。ASIC器件可將這種電容變化轉(zhuǎn)換成電信號。MEMS麥克風麥克風ASIC在MEMS麥克風內(nèi)，ASIC芯片利用電荷泵在麥克風振膜上放置一個固定的參考電荷。當振膜運動導致振膜與背板之間的電容量發(fā)生變化時，ASIC測量電壓變化測量電壓變化。模擬MEMS麥克風的輸出電壓與瞬間氣壓成正比。模擬麥克風通常只有三個引腳：輸出、電源電壓(VDD)和地。雖然模擬MEMS麥克風的接口在原理上比較簡單，但是，為避免在麥克風輸出

3、與信號接收芯片的輸入之間出現(xiàn)拾起噪音，模擬信號要求工程師必須精心設計印刷電路板和線纜。大多數(shù)應用還需要低噪音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把模擬麥克風輸出轉(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麥克風的輸出為數(shù)字信號，可在高低邏輯電平之間轉(zhuǎn)換。大多數(shù)數(shù)字麥克風采用脈沖密度調(diào)制技術(shù)脈沖密度調(diào)制技術(shù) (PDM)，生成過采樣率較高的單個比特的數(shù)據(jù)流。脈沖密度調(diào)制麥克風的脈沖密度與瞬間空氣壓力級成正比。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)的脈沖間隔時間是定量，使用脈寬給信號編碼，而脈沖密度調(diào)制則相反，脈寬是定量，使用脈沖間隔時間給信

4、號編碼。除輸出、地和VDD引腳外，大多數(shù)數(shù)字麥克風還有時鐘輸入和L/R控制輸入。時鐘輸入用于控制-調(diào)制器，將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成PDM數(shù)字信號。數(shù)字麥克風的典型時鐘頻率通常在1MHz至3.5MHz之間。麥克風輸出信號在所選時鐘邊沿進入適合的邏輯狀態(tài)，在另半個時鐘周期進入高阻抗狀態(tài)。這個兩個數(shù)字麥克風的輸入共用一條數(shù)據(jù)線。L/R輸入確定有效數(shù)據(jù)是在哪一個時鐘邊沿上。數(shù)字麥克風輸出相對來說具有較高的抗噪性，但是信號完整性卻是一個令人們關(guān)心的問題，因為寄生電容以及麥克風輸出與系統(tǒng)芯片之間的電感導致信號失真。阻抗失匹也會產(chǎn)生反射問題，若數(shù)字麥克風與系統(tǒng)芯片間隔較大，反射現(xiàn)象將會導致信號失真。雖然數(shù)字

5、麥克風不需要編解碼器，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)部濾波器負責將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)字麥克風的PDM數(shù)據(jù)流，然后通過軟件濾波器將其轉(zhuǎn)換成PDM格式。MEMS麥克風封裝麥克風封裝MEMS麥克風采用由基板和封裝蓋組成的空心封裝，內(nèi)部組件包括聲學傳感器和接口ASIC。封裝基板下面是焊盤，用于將麥克風焊接在電路板或撓性電路上。在大多數(shù)MEMS麥克風的內(nèi)部，MEMS聲學傳感器和接口ASIC是兩顆獨立的芯片，為制作能夠移動的結(jié)構(gòu)，聲

6、學傳感器的制造工藝經(jīng)過優(yōu)化改良，而ASIC芯片則采用工業(yè)標準的CMOS制造工藝。ASIC通過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行密封處理。 為讓聲音能夠傳入聲學傳感器，MEMS麥克風需要在封裝上開孔。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)。下置聲孔麥克風還要求在電路板上的麥克風安裝位置開一個孔，讓聲音能夠穿過電路板傳入麥克風聲孔。麥克風是選用上置聲孔還是下置聲孔，通常取決于多種因素，例如，麥克風的安裝位置和廠家的考慮。性能也是麥克風選型的一個主要因素，因為上置聲孔麥克風的性能通常低于下置聲孔麥克風置聲孔麥克風的性能通常低于下置聲孔麥克風。但是，高性能

7、上置聲孔麥克風的問世，例如，意法半導體的MP34DT01，徹底顛覆了上置聲孔麥克風的性能。 聲學傳感器振膜將MEMS麥克風內(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(見圖5)。下置聲孔麥克風通常將傳感器直接置于聲孔上，這種設計有多個好處。大多數(shù)MEMS麥克風的靈敏度隨頻率升高而提高，這是聲孔的空氣與麥克風前室的空氣相互這是聲孔的空氣與麥克風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。下置聲孔麥克風將聲學傳感器直接置于聲孔之上，這樣設計導致前室變小，從而導致麥克風將聲學傳感器直接置于聲孔之上，這樣設計導致前室變小，從而導致Helmholtz諧振諧振的中心頻率提高。因為的中心頻率提高。因為Helmholtz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、更容易推動振膜運動，從而提高麥克風的靈敏度和信噪比。后室空氣容積變大還能提高麥克風的低推動振膜運動，從而提高麥克風的靈敏度和信噪比。后室空氣容積變大還能提高麥克風的低頻響應。頻響應。上置聲孔麥克風的結(jié)構(gòu)與下置聲孔麥克風相似，都是將聲學傳感器和接口芯片安裝在基板上，采用空心的密閉封裝。這兩種麥克風的唯一區(qū)別是，上置聲孔的麥克風是將傳聲孔置于封裝蓋上，而下置聲孔麥克風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的前室變成了上置聲孔麥克風的后室，而后室則變成了前室。傳統(tǒng)上置聲孔麥克風的后室空氣容積較小，推動振膜運動的難度增加，這破壞了聲學傳感器的靈敏度，導致信噪比降低。

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，諧振頻率將會降低，從而影響麥克風的高頻響應會降低，從而影響麥克風的高頻響應。綜上所述，不論是低頻還是高頻，上置聲孔麥克風的信噪比和頻響兩項指標都相對較差，性能不如下置聲孔麥克風出色。而意法半導體的MP34DT01上置數(shù)字MEMS麥克風卻是一個例外。意法半導體獨有的封裝技術(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(見圖7和8)。這種設計方法可獲得小前室和大后室，讓MP34DT01取得與下置聲孔麥克風MP34DB01相同的性能。MEMS麥克風性能評測麥克風性能評

11、測帕斯卡(Pa)是壓力的線性國際單位制，表示單位面積上的壓力(1Pa=1N/m2)。不過，對數(shù)單位制更適用研究聲壓級（SPL），因為人耳動態(tài)范圍大，能夠察覺從最低20微帕到高達20帕的聲壓。因此，麥克風的關(guān)鍵性能指標通常用分貝(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性能指標：信噪比信噪比(SNR)信噪比(SNR)通常是最重要的麥克風性能指標。信噪比是麥克風的靈敏度與背景噪聲的差值，通常用dB表示?，F(xiàn)有MEMS麥克風的信噪比是在56dB至66dB之間。靈敏度靈敏度麥克風靈敏度是用于測量麥克風對已知聲壓級的響應能力。靈敏度通常在靈敏度

12、通常在94dB 聲壓級聲壓級(1 Pa)條件下使用條件下使用1kHz頻率進頻率進行測量的結(jié)果。行測量的結(jié)果。模擬麥克風的靈敏度通常表示為相對于1VRMS信號的分貝數(shù)(dBV)，而數(shù)字麥克風的靈敏度通常表示為相對于麥克風滿量程輸出的分貝數(shù)(dBFS)。背景噪聲背景噪聲麥克風的背景噪聲又稱本底噪聲，是指在較安靜的環(huán)境內(nèi)，麥克風輸出中的噪聲量。聲學傳感器和接口聲學傳感器和接口ASIC都會向都會向麥克風輸出信號注入噪聲。傳感器噪聲是空氣分子隨機布朗運動產(chǎn)生的麥克風輸出信號注入噪聲。傳感器噪聲是空氣分子隨機布朗運動產(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)字麥克風克風AS

13、IC的噪聲源是的噪聲源是-調(diào)制器調(diào)制器。應在全音頻帶內(nèi)測量背景噪聲，而A加權(quán)濾波器用于更精確地測量人耳能夠聽到的噪聲級。背景噪聲不總是出現(xiàn)在麥克風數(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。從測量靈敏度（通常是94dBSPL）的聲壓級中減去信噪比，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)失真是測量麥克風拾音精度的指標。失真的條件通常是在94dB100dBSPL范圍內(nèi)，表示在正常聲壓級條件下音頻信號的質(zhì)量。聲學過載點聲學過載點(AOP)在麥克風聲壓級開始接近聲學過載點之前，失真通常不會隨著聲壓級升高而大幅增加。但是，當達到

14、過載點時，失真開始快速升高。麥克風聲學過載點通常是指失真達到10%時的聲壓級。頻頻響響MEMS麥克風頻響是在不同頻率時指靈敏度的變化。麥克風頻響通常在1kHz時設為0dB，對不同頻率下的靈敏度進行歸一化處理。大多數(shù)MEMS麥克風的靈敏度都低于100Hz，在出現(xiàn)Helmholtz諧振后開始上諧振后開始上升，達到大約升，達到大約4kHz至至6kHz之間。這就是許多MEMS麥克風將頻響指定在100Hz至10kHz之間的原因。不過，高性能的MEMS麥克風在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)麥克風電源抑制比是評價麥克風防止噪聲從電源輸入端進入輸出端的能力指

15、標。電源抑制比通常是在音頻帶內(nèi)使用通過仿真GSM蜂窩無線電產(chǎn)生的TDMA噪聲的217Hz方波和/或掃描正弦波來指定。更高信噪比更高信噪比MEMS麥克風產(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)達到63-66dB，拾音信號更加清晰，在同等清晰度下，麥克風的應用距離變得更遠。自動語音識別算法取得良好的識別率需要更高的信噪比。更高聲壓級更高聲壓級很多用戶需要聲學過載點更高的麥克風，防止在吵鬧的環(huán)境中麥克風失真。在聲壓級高于聲學過載點時，麥克風將會產(chǎn)生削波失真，導致吵鬧環(huán)境的錄音（例如搖滾樂）無法使用。更小封裝更小封裝隨著消費者對輕薄產(chǎn)品的需求日益提高，MEMS麥克風正在

16、不斷縮小封裝。早期的MEMS麥克風封裝尺寸為3.76mmx4.72mmx1.25mm，如今，3mmx4mmx1mm和2.95mmx3.76mmx1mm是常見的封裝尺寸。更新的MEMS麥克風為2.5mmx3.35mmx0.98mm和2.65mmx3.5mmx0.98mm。這種小型化趨勢將會持續(xù)下去，不過，隨著封裝縮小，后室面積也會隨之縮減，音質(zhì)提升甚至保持現(xiàn)有水平都會變得很難。降低環(huán)境噪聲降低環(huán)境噪聲很多智能手機和平板電腦為實現(xiàn)錄像等功能，都開始安裝多個麥克風。降低環(huán)境噪聲是多麥克風組合的另一種常見應用。很多智能手機在頂部或背面裝有一支麥克風，用于檢測周圍環(huán)境噪聲，然后從話筒輸出中減去環(huán)境噪聲成份，從而提高音頻信號的純凈度。以錄像為主要用途的麥克風經(jīng)常用于降低環(huán)境噪聲。聲聲波聚束波聚束兩個以上的麥克風還用于執(zhí)行聲波聚束功能，處理麥克風陣列的輸出信號，提高沿某一個方向的靈敏度，同時抑制其它方向的聲音。多數(shù)麥克風提供全向輸出，即所有方向的靈敏度相同，但是，在多數(shù)情況下，設計人員需要將靈敏度聚焦于某一個方向，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，將麥克風的靈敏度聚焦于某一個方向。聲波聚束還能用于確定音源方位。