MEMS麦克风的基本原理

前言，微机电系统(MEMS )技术的推出和应用减小了麦克风，提高了性能。 MEMS麦克风有很多优点。 例如，高信噪比、低功耗、高灵敏度、所使用的麦克风封装与实现技术兼容，不会对MEMS麦克风的性能造成任何影响，且温度特性也非常优异。 MEMS麦克风的声音传感器、MEMS麦克风所使用的声音传感器是由半导体生产线制作、采用先进的自动化程序封装的芯片。 MEMS麦克风的制造过程是首先在晶片上堆积几层不同的物质，然后蚀刻不需要的物质，在基础晶片上形成腔室，在腔室上盖上能够运动的振动板和固定的背板。 传感器背板具有优良的刚性，采用贯通孔结构，通风性能优良的振动板是非常薄的实心结构，声波发生气压变化时振动板会弯曲。 振动板薄，容易弯曲。 声波引起气压变化时，振动板随气压变化而弯曲，背板厚而多孔，空气流动时，背板保持静止。 振动板移动时，振动板和背板之间的静电电容发生变化。 ASIC装置能够将这种电容变化转换为电信号。 另外，MEMS麦克风ASIC、MEMS麦克风内，ASIC芯片用充电泵在麦克风振动板上放置一定的基准电荷。 随着振动板的运动，振动板和背板之间的静电电容发生变化时，ASIC测量电压变化。 模拟MEMS传声器的输出电压与瞬时气压成正比。 模拟麦克风通常只有输出、电源电压(VDD )、接地三个端子。 模拟MEMS麦克风的接口在原理上是简单的，但是模拟信号应当精确地设计印刷电路板和电缆，以便在麦克风输出和接收芯片的输入之间不会发生拾波器噪声。 大多数应用还需要低噪声模拟/数字转换器以将模拟麦克风的输出转换成数字格式，并且将其用于后处理和传送。 如由该名称可知的那样，数字MEMS麦克风的输出是数字信号，并且可以在高或低逻辑电平之间切换。 大多数数字麦克风采用脉冲密度调制技术(PDM )来生成采样率较高的单个比特流。 脉冲密度调制麦克风的脉冲密度与瞬时气动水平成正比。 脉冲密度调制技术与应用于d类放大器的脉冲宽度调制(PWM )技术相似，不同之处在于脉冲宽度调制技术的脉冲间隔时间是定量的，而脉冲宽度调制技术则是以脉冲宽度来编码信号，而脉冲密度调制技术相反地以定量的脉冲宽度，而脉冲间隔时间来编码信号。 除输出、接地、VDD端子外，大多数数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。 时钟输入控制调制器并将传感器的模拟信号转换为PDM数字信号。 数字麦克风的典型时钟频率通常在1MHz与3.5MHz之间。 麦克风输出信号在选定的时钟边缘处进入适当的逻辑状态，在其馀的时钟周期中成为高阻抗状态。 这两个数字麦克风的输入共用一条数据线。 L/R输入判定有效数据位于哪个时钟边缘。 数字麦克风输出具有相对高的噪声耐受性，但是信号的完整性是所关注的问题，因为寄生电容、麦克风输出和系统芯片之间的电感使信号发生失真。 阻抗不匹配还会引起反射问题，并且如果数字麦克风与系统芯片之间的距离较大，则反射现象将引起信号失真。 数字麦克风不需要编解码器，但是脉冲密度调制输出的单比特PDM格式通常需要转换为多比特脉冲编码调制(PCM )格式。 许多编解码器和系统芯片具有PDM输入，并且其中内部滤波器负责将PDM数据转换为PCM格式。 微控制器使用同步串行接口捕获数字麦克风的PDM数据流，并通过软件过滤器将其转换为PDM格式。MEMS麦克风封装、MEMS麦克风采用由基板和封装罩构成的空心封装，内部部件包括声音传感器和接口ASIC。 封装基板下方有用于将麦克风焊接在电路基板或柔性电路上的焊盘。在大多数MEMS麦克风内，MEMS声音传感器和接口ASIC采用工业标准的CMOS制造过程，优化和改进声音传感器的制造过程，以创建可在两个独立芯片上移动的结构。 ASIC通过引线接合法与传感器和基板连接，将封装盖按压在基板上进行密封处理。 MEMS麦克风需要在包装上打孔，以便声音能够传递到声音传感器。 声孔的位置可以位于封装盖(声孔朝上)或焊盘附近(声孔朝下)。 对于下面的音孔麦克风，必须在电路板上麦克风的安装位置开孔，以确保声音通过电路板进入麦克风的音孔。 麦克风是上声孔还是下声孔通常取决于麦克风的安装场所和制造商的想法等多种因素。 性能也是麦克风选型的主要因素，通常上音孔麦克风的性能低于下音孔麦克风。 但是，高性能的上声孔麦克风的登场，例如意大利半导体的MP34DT01，彻底控制上声孔麦克风的性能。 声传感器振动板将MEMS麦克风内部分为两部分。 声孔与传感器振动板之间的区域称为前室，振动板的其他部分称为后室(参照图5 )。 放音孔的麦克风通常有很多优点，因为传感器直接放在音孔上。大多数MEMS麦克风的灵敏度随频率的增加而提高，这是音孔空气与麦克风前室空气相互作用的结果。 这种相互作用产生Helmholtz共振，这是与喷瓶发出的声音相同的现象。 像吹瓶那样，空气容积越小，共振频率越高，相反，空气容积越大，共振频率越低。 当声孔朝下并将声音传感器直接放置在声孔上时，前室变小，Helmholtz共振的中心频率变高。 由于Helmholtz谐振器通常位于音频频带的高频部分，所以若增高谐振频率，则频率变得更平坦。 把声音传感器直接放在音孔上也有助于制作更大的后室。 后室空气容积增大，声波容易推进振动板运动，提高麦克风的灵敏度和信噪比。 后室空气容积增大时，麦克风的低频响应也提高。 上声孔麦克风的结构与下声孔麦克风相似，声音传感器和接口芯片安装在基板上，采用中空的密闭封装。 这两种麦克风的唯一区别在于，音孔朝上的麦克风将音孔放在盖子上，音孔朝下的麦克风将音孔放在基板上。 因此，将声波喇叭从基板移动到罩上后，前下喇叭麦克风的前室成为上喇叭麦克风的后室，后室成为前室。 以往，设置声孔麦克风后室的空气容积小，难以推进振动板的运动，声传感器的灵敏度受损，s/n比降低。 另外，音孔与振动板之间的前室空气容积增大时，共振频率降低，影响麦克风的高频响应。 因此，无论是低频还是高频，上置音孔麦克风的信噪比和频率两个指标都相对较差，性能不如下置音孔麦克风好。 在意大利半导体的MP34DT01上安装数字MEMS麦克风除外。 将意大利半导体特有的封装技术MEMS传感器和接口芯片安装在mp34至dt01封装盖的内侧，并且将传感器直接放置在音孔下面(参见图7和图8 )。 在该设计方法中，能够得到小的前室和大的后室，MP34DT01能够得到与下面的声音孔麦克风MP34DB01相同的性能。 另外，MEMS麦克风性能评价帕斯卡(Pa )是压力的线性国际单位制，表示每单位面积的压力(1Pa=1N/m2 )。 但是，对数单位系统适用于研究声压水平(SPL )，因为人耳的动态范围较宽，所以能够感知最低20pa到最高20pa的声压。 因此，麦克风的重要性能指标通常由分贝(dB )表示，其中0dBSPL等于20Pa，1Pa等于94dBSPL。 以下参数通常是最重要的麦克风性能指标。 信噪比(SNR )信噪比(SNR )通常是最重要的麦克风性能指标。信噪比通常由dB表示，其是麦克风的灵敏度与背景噪声的差。 现有MEMS麦克风的信噪比在56dB与66dB之间。 灵敏度麦克风灵敏度用于测量麦克风对已知声压级的响应能力。 灵敏度通常是在94dB声压级(1Pa )下以1kHz的频率进行测量的结果。 模拟麦克风的灵敏度通常表示为1VRMS信号的分贝数(dBV )，数字麦克风的灵敏度通常表示为麦克风的全比例输出的分贝数(dBFS )。 背景噪声麦克风的背景噪声也称为背景噪声，其指的是在相对安静的环境中麦克风输出的噪声量。 声音传感器和接口ASIC向麦克风的输出信号注入噪声。 传感器噪声发生在空气分子的随机布朗运动中，ASIC的噪声源是前置放大器，数字麦克风ASIC的噪声源是调制器。 相对于应在整个语音频带中测量背景噪声，使用a加权滤波器更加精确地测量人耳中可听到的噪声水平。 背景噪声不总是出现在麦克风数据表中，但是背景噪声可以仅通过从灵敏度中减去信噪比来计算，数字单位是dBV或dBFS。 从测量灵敏度的声压电平(通常为94dBSPL )中减去信噪比，可以以dBSPL为单位计算由等效输入噪声表示的背景噪声。 畸变(THD )畸变是测量麦克风拾音精度的指标。 失真条件通常在94dB-100dBSPL范围内，表示正常声压级下音频信号的质量。 声过载点(AOP )往往在麦克风的声压级开始接近声过载点之前，随着声压级的提高失真不会大幅增加。 但是，当达到过载点时，畸变开始迅速上升。 麦克风声音过载点通常是指失真达到10%时的声压级。频率MEMS麦克风的频率声音指的是在不同频率下灵敏度的变化。 麦克风的频率响应通常设为1kHz到0dB，并且将在不同频率的灵敏度归一化。 大多数MEMS麦克风的灵敏度不足100Hz，Helmholtz共振出现后开始上升，约达到4kHz到6kHz之间。 因此，许多MEMS麦克风以100Hz到10kHz之间指定频率。 然而，高性能的MEMS麦克风在从20Hz到20kHz的所有音频带具有相对平坦的频率响应曲线。 电源抑制比(PSR )麦克风的电源抑制比是评价麦克风防止噪声从电源输入侧侵入输出侧的能力的指标。 通常使用217Hz方波和/或扫描正弦曲线来指定功率抑制比，其模拟因GSM蜂窝无线电而出现的TDMA噪声。 更高s/n比的MEMS麦克风产品的性能正在提高。 几年前，信噪比仍处于55-58dB的区间，现已达到63-66dB，拾音信号更加清晰，在相同分辨率下麦克风的应用距离更远。 为了使自动语音识别算法得到良好的识别率，需要更高的s/n比。 更高音压水平的用户为了在噪音多的环境下防止麦克风的歪曲，需要声音过载点高的麦克风。 声压级别超过音响过载点时，麦克风会产生剪辑失真，无法录制锁定音乐等喧闹环境。 随着小型包装对消费者薄型产品的需求增加，MEMS麦克风继续缩小包装。 初始MEMS麦克风的封装大小为3.76mmx4.72mmx1.25mm，现在3mmx4mmx1mm和2.95mmx3.76mmx1mm是通常的封装大小。 更新的MEMS麦克风为2.5mmx3.35mmx0.98mm和2.65mmx3.5mmx0.98mm。 虽然这种小型化倾向继续，但随着封装的缩小，后室面积也缩小，音质的提高在维持以往的水平方面也变得困难。为了实现视频等功能，降低环境噪音的智能手机和平板电脑开始设置多个麦克风。 降低环境噪声是多麦克风组合的另一个常见应用。 很多智能手机在上面或背面设置麦克风，检测周围的环境噪声，从麦克风的输出中减去环境噪声成分，从而提高音频信号的清洁度。 以视频为主要用途的麦克风经常用于降低环境噪音。两个或多个声波聚焦的麦克风也可用于执行声波聚焦功能，处理麦克风阵列的输出信号，以抑制其他方向的声音，同时在一个方向上提高灵敏度。 许多麦克风提供全向输出。 换句话说，所有方向的灵敏度都是相同的，但是设计者通常需要将灵敏度集中在一个方向上，降低其他方向的灵敏度来改善音质。 声波会聚利用不同方向的声音相位差，将麦克风的灵敏度向一个方向会聚。 声波束也可以用来确定声源的方位。 声波聚焦特别适用于麦克风与说话者的