MEMS(数字)麦克风基本知识
MEMS麦克风
MEMS麦克风•MEMS（微型机电系统）麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造,能够承受很高的回流焊温度,容易与CMOS 工艺及其它音频电路相集成, 并具有改进的噪声消除性能与良好的RF 及EMI 抑制性能.MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘，但是采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。
目录•MEMS麦克风的发展前景MEMS麦克风的优势•目前，实际使用的大多数麦克风都是ECM(驻极体电容器)麦克风，这种技术已经有几十年的历史。
ECM 的工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。
与ECM的聚合材料振动膜相比，MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。
由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260℃的高温回流焊，而性能不会有任何变化。
由于组装前后敏感性变化很小，还可以节省制造过程中的音频调试成本。
MEMS麦克风需要ASIC提供的外部偏置，而ECM没有这种偏置。
有效的偏置将使MEMS麦克风在整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，还支持具有不同敏感性的麦克风设计。
传统ECM的尺寸通常比MEMS麦克风大，并且不能进行SMT（表面贴装技术）操作。
在MEMS麦克风的制造过程中，SMT回流焊简化了制造流程，可以省略一个目前通常以手工方式进行的制造步骤。
在ECM麦克风内，必须添加进行信号处理的电子元件；而在MEMS麦克风中，只需在芯片上添加额外的专用功能即可。
与ECM相比，这种额外功能的优点是使麦克风具有很高的电源抑制比，能够有效抑制电源电压的波动。
另一个优点是，集成在芯片上的宽带RF抑制功能，这一点不仅对手机这样的RF应用尤其重要，而且对所有与手机操作原理类似的设备（如助听器）都非常重要。
MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm的小型薄膜的重量同样轻巧，这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB 噪声产生更低的振动耦合。
mems mic结构 -回复
mems mic结构-回复什么是mems mic结构？如何工作？其在音频应用中的优势和挑战是什么？接下来我们将一步一步地回答这些问题。
首先，我们来了解mems mic结构是什么。
MEMS是微机电系统的缩写，也就是微型机电系统。
MEMS技术将微型机械元件与电子技术相结合，创造出微小、高性能的传感器和执行器。
而mems mic结构就是一种利用MEMS技术制造的微型麦克风。
mems mic结构由一个微型振膜和一对微型电容组成。
振膜是由薄膜材料制成的，其大小通常只有几毫米。
而电容则是由膜片和固定板组成，当振膜受到声波的作用时，振膜与膜片之间的电容发生变化，并将信号转化为电气信号。
当声波到达mems mic时，振膜开始振动。
这些振动产生的压力波通过空气传递到振膜上，使其开始振动。
振动的振幅和频率取决于声波的特征。
振动的振幅和频率被转化为电信号，通过电容之间的变化传递到电路中。
最终，这些电信号被放大和处理，并输出为可听的音频。
那么mems mic在音频应用中有哪些优势呢？首先，由于mems mic结构的微小和轻巧，它们非常适合于集成到小型设备中，例如智能手机、平板电脑和耳机。
其小尺寸和轻量化设计使得mems mic易于植入各种设备。
其次，由于mems mic结构使用了微型机械元件，其响应速度非常快，可以捕捉到高频率的声波，从而提供更准确和清晰的音频信号。
此外，mems mic的功耗低，使其在电池寿命方面有优势。
然而，mems mic在音频应用中也面临一些挑战。
首先，由于其微型结构，mems mic的灵敏度较低。
这意味着它对周围环境的噪声和干扰更为敏感。
其次，mems mic的频率响应范围相对较窄，不能捕捉到较低频率的声波。
另外，mems mic的制造过程相对复杂，成本也较高。
为了克服这些挑战，研究人员正在不断努力改进mems mic的性能。
他们致力于提高mems mic的灵敏度，扩大其频率响应范围，并降低制造成本。
MEMS(数字)麦克风基本知识
MEMS Wafer
MEMS Die
Hale Waihona Puke MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
4
Acoustic port hole
1
L
3
W H
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT,
2
2.NO CONNECTION
MEMS Microphone 工作原理
MEMS麦克风是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路 (放大器)、声腔及RF抗噪电路组成。MEMS微电容极头部分包含 接收声音的硅振膜和硅背极,硅振膜可直接将接收到的音频信号 经MEMS微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路可将高阻 的音频电信号转换并放大成低阻的音频电信号,同时经RF抗噪电 路滤波,输出与手机前置电路相匹配的电信号.完成“声--电”转 换.
< MEMS Microphone >
MEMS Packaging
Notebook Computer, Desk-Top Computer Video Door Phone etc. Cordless Phone
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Mic
MEMS Microphone
MEMS Microphone 产品简介
Recommended Interface Circuit
Term4
+ R2 +
R1
AAC MEMS Microphone
Term1
External Gain=-R1/R2 Term3. Term2. (Set by customer)
关于麦克风的参数介绍-驻极体麦克风（ECM）和硅麦（MEMS）
关于麦克风的参数介绍-驻极体麦克风（ECM）和硅麦（MEMS）1、麦克风的分类1.1、动圈式麦克风（Dynamic Micphone）原理：基本构造包含线圈、振膜、永久磁铁三部分。
当声波进⼊麦克风，振膜受到声波的压⼒⽽产⽣振动，与振膜在⼀起的线圈则开始在磁场中移动，根据法拉第的楞次定律，线圈会产⽣感应电流。
特性：动圈式麦克风因含有磁铁和线圈，不够轻便、灵敏度较低、⾼低频响应表现较差；优点是声⾳较柔润，适合⽤来收录⼈声。
应⽤：KTV场所。
1.2、电容式麦克风（Condenser Micphone）原理：根据电容两⽚隔板间距离的改变来产⽣电压变化。
当声波进⼊麦克风，振膜产⽣振动，使得振动膜和基板之间的距离会随着振动⽽改变，于是基板间的电容会变，根据Q=C*V（电容式麦克风中电容极板的电压会维持⼀个定值）得到变化的电荷量Q。
特性：灵敏度⾼，常⽤于⾼质量的录⾳。
应⽤：消费电⼦、录⾳室。
1.3、铝带式麦克风（Ribbon Micphone）原理：在磁铁两极间放⼊通常是铝制的波浪状⾦属箔带，⾦属薄膜受声⾳震动时，因电磁感应⽽产⽣信号。
1.4、碳精麦克风（Carbon Micphone）2、两种常⽤电容式麦克风的对⽐：驻极体电容麦克风（ECM）和微机电麦克风（MEMS Micphone）2.1、驻极体电容麦克风（Electret Condenser Micphone）原理：驻极体麦克风使⽤了可保有永久电荷的驻极体物质，不需要再对电容供电。
（若驻极体麦克风中内置放⼤电路，则需要供电）优点：技术成熟、价格便宜缺点：体积⼤，不⽅便SMT、引线长，造成信号衰减、⽣产⼯序多，⼀致性差、灵敏度不稳定2.2、微机电麦克风（MEMS Micphone）原理：微机电麦克风也称麦克风芯⽚或硅麦克风，硅麦⼀般都集成了前置放⼤器，甚⾄有些硅麦会集成模拟数字转换器，直接输出数字信号，成为数字麦克风。
优点：体积⼩，可SMT、产品稳定性好缺点：价格较⾼备注：⼀般情况下，我们把集成了前置放⼤器或者模拟数字转换器的麦克风称为拾⾳器（pickup）。
MEMS麦克风的基本原理教学教材
•在麦克风声压级开始接近声学过载点之前，失真通常不会随着声压级升高而大幅增加。但是，当达到过载点时，失真开 始快速升高。麦克风声学过载点通常是指失真达到10%时的声压级。
频响 MEMS麦克风频响是在不同频率时指灵敏度的变化。麦克风频响通常在1 kHz 时设为0 dB，对不同频率下 的灵敏度进行归一化处理。大多数MEMS麦克风的灵敏度都低于100Hz，在出现Helmholtz谐振后开始上 升，达到大约4kHz至6kHz之间。这就是许多MEMS麦克风将频响指定在100Hz至10kHz之间的原因。不过， 高性能的MEMS麦克风在20Hz至20kHz全音频带内拥有较平坦的频响曲线。
• 除输出、地和VDD引脚外，大多数数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。时钟输入用于控制Δ-Σ 调制器，将传感器的模拟信号转换成PDM数字信号。数字麦克风的典型时钟频率通常在1MHz至 3.5MHz之间。麦克风输出信号在所选时钟边沿进入适合的逻辑状态，在另半个时钟周期进入高阻抗 状态。这个两个数字麦克风的输入共用一条数据线。L/R输入确定有效数据是在哪一个时钟边沿上。
MEMS麦克风封装
• MEMS麦克风采用由基板和封装盖组成的空心封装，内部组件包括声学传感器 和接口ASIC。封装基板下面是焊盘，用于将麦克风焊接在电路板或挠性电路 上。在大多数MEMS麦克风的内部，MEMS声学传感器和接口ASIC是两颗独立 的芯片，为制作能够移动的结构，声学传感器的制造工艺经过优化改良，而 ASIC芯片则采用工业标准的CMOS制造工艺。ASIC通过引线键合方法连接到传 感器和基板，然后将封装盖扣在基板上并进行密封处理。
MEMS麦克风性能评测
•帕斯卡(Pa)是压力的线性国际单位制，表示单位面积上的压力(1Pa = 1N/m2)。不过，对数单位制更适用研究声压级 （SPL），因为人耳动态范围大，能够察觉从最低20微帕到高达20帕的声压。因此，麦克风的关键性能指标通常用分贝 (dB)表示，0dB SPL等于20µPa，1 Pa等于94dB SPL。下面的参数通常是最重要的麦克风性能指标：
MEMS麦克风的基本原理
• 为让声音能够传入声学传感器，MEMS麦克风需要在封 装上开孔。声孔位置可以在封装盖上(上置声孔)或在焊 盘附近(下置声孔)。下置声孔麦克风还要求在电路板上 的麦克风安装位置开一个孔，让声音能够穿过电路板传 入麦克风声孔。麦克风是选用上置声孔还是下置声孔， 通常取决于多种因素，例如，麦克风的安装位置和厂家 的考虑。性能也是麦克风选型的一个主要因素，因为上 置声孔麦克风的性能通常低于下置声孔麦克风。但是， 高性能上置声孔麦克风的问世，例如，意法半导体的 MP34DT01，彻底颠覆了上置声孔麦克风的性能。 • 声学传感器振膜将MEMS麦克风内部分成两部分。声孔 与传感器振膜之间区域通常称为前室，振膜的另一部分 称作后室(见图5)。下置声孔麦克风通常将传感器直接置 于声孔上，这种设计有多个好处。
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大多数MEMS麦克风的灵敏度随频率升高而提高，这是声孔的空气与麦克风前室的空气相互 作用的结果。这种交互作用产生了Helmholtz谐振，这与吹瓶产生的声音的现象相同。像吹瓶 子一样，空气容积越小，谐振频率越高；反之，空气容积越大，谐振频率越低。下置声孔麦 克风将声学传感器直接置于声孔之上，这样设计导致前室变小，从而导致Helmholtz谐振的中 心频率提高。因为Helmholtz谐振通常位于音频带的高频部分，所以提高的谐振频率使频响变 得更加平坦。 将声学传感器直接置于声孔上还有助于产生更大的后室。后室空气容积变大后，声波更容易 推动振膜运动，从而提高麦克风的灵敏度和信噪比。后室空气容积变大还能提高麦克风的低 频响应。上置声孔麦克风的结构与下置声孔麦克风相似，都是将声学传感器和接口芯片安装 在基板上，采用空心的密闭封装。这两种麦克风的唯一区别是，上置声孔的麦克风是将传声 孔置于封装盖上，而下置声孔麦克风是将传声孔放在基板上。因此，将传声孔从基板移到封 装盖后，以前下置声孔麦克风的前室变成了上置声孔麦克风的后室，而后室则变成了前室。 传统上置声孔麦克风的后室空气容积较小，推动振膜运动的难度增加，这破坏了声学传感器 的灵敏度，导致信噪比降低。此外，在声孔与振膜之间的前室空气容积变大后，谐振频率将 会降低，从而影响麦克风的高频响应。综上所述，不论是低频还是高频，上置声孔麦克风的 信噪比和频响两项指标都相对较差，性能不如下置声孔麦克风出色。 而意法半导体的MP34DT01上置数字MEMS麦克风却是一个例外。意法半导体独有的封装技术 将MEMS传感器和接口芯片安装在MP34DT01封装盖的内侧，将传感器直接置于声孔的下面 (见图7 和8)。这种设计方法可获得小前室和大后室，让MP34DT01取得与下置声孔麦克风 MP34DB01相同的性能。
MEMS(数字)麦克风基本知识
MEMS Wafer
MEMS Die
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
Acoustic port hole
W
H
4
1
L
3
2
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT, 2.NO CONNECTION 3.GROUND, 4.POWER
Stage
Temperature Profile
Time (Maximum)
Pro-head
170~180 ℃
120sec.
Solder Melt
Above 230 ℃
100sec.
Peak
260 ℃ Maximum
30sec.
Production Process
Wafer Fabrication
>58dB
RF-filtering capacitance
10pF, 33pF, both or none
Change in sensitivity(电压特性) <1dB across voltage range
Standard operating temperature -40℃ to + 100℃
Packaging/Cutting
Testing / Marking / Taping
Shipping Inspection
Packing
Reliability Test
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Wafer Fab. < MEMS Microphone >
mems mic结构
mems mic结构【原创实用版】目录1.MEMS 麦克风的基本概念2.MEMS 麦克风的结构3.MEMS 麦克风的工作原理4.MEMS 麦克风的应用领域正文MEMS（Microelectromechanical Systems，微电子机械系统）麦克风是一种基于微电子技术的声学传感器，具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等特点。
它广泛应用于消费电子、通信、汽车电子等领域。
MEMS 麦克风的基本概念：MEMS 麦克风是一种微型麦克风，它采用微电子机械系统技术制造，将声学传感器与信号处理电路集成在同一块芯片上。
这使得 MEMS 麦克风具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
MEMS 麦克风的结构：MEMS 麦克风的主要结构包括麦克风芯、信号处理电路、接口电路等。
麦克风芯是 MEMS 麦克风的核心部件，通常由微小的膜片和背板组成。
当声波作用于膜片时，膜片产生振动，通过背板将振动转换为电信号。
信号处理电路用于对麦克风输出的信号进行放大、滤波等处理。
接口电路则负责将处理后的信号传输给后续设备。
MEMS 麦克风的工作原理：MEMS 麦克风的工作原理基于声电转换。
当声波作用于麦克风膜片时，膜片产生振动。
这些振动通过背板传递到信号处理电路，信号处理电路将振动转换为电信号。
电信号经过放大、滤波等处理后，被传输给后续设备。
MEMS 麦克风的应用领域：MEMS 麦克风广泛应用于各种电子设备中，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。
此外，MEMS 麦克风在通信领域也有广泛应用，如无线麦克风、对讲机等。
在汽车电子领域，MEMS 麦克风可用于车内音响系统、倒车雷达等。
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Application of Product
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Mic
MEMS Mic
List of Products
MEMS Microphone 工作原理
MEMS麦克风是由MEMS微电容传感器、微集成转换电路 (放大器)、声腔及RF抗噪电路组成。MEMS微电容极头部分包含 接收声音的硅振膜和硅背极,硅振膜可直接将接收到的音频信号 经MEMS微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路可将高阻 的音频电信号转换并放大成低阻的音频电信号,同时经RF抗噪电 路滤波,输出与手机前置电路相匹配的电信号.完成“声--电”转 换.
R1
R2 +
Vref
External Gain=-R1/R2 (Set by customer)
Solder Reflow Profile
MEMS Microphone 产品简介
Maximum solder profile: Do not exceed profile listed in this table
>58dB
RF-filtering capacitance
10pF, 33pF, both or none
Change in sensitivity(电压特性) <1dB across voltage range
Standard operating temperature -40℃ to + 100℃
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Structure
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
名称 Cover Housing Wire bonding PC Board Capacitor 10pF Capacitor 33pF ASIC MEMS Die
MEMS Microphone 产品简介
Current consumption
0.25mA
Supply voltage ratings
1.5V to 3.6V
MEMS Microphone 产品简介
Recommended Intone
Term4 +
Term1
Term3. Term2.
-38+/-4
MEMS Packaging
Cellular Phone(CDMA, GSM, PCS), Camcorder Phone, MP3 Phone, PDA Phone etc.
Ear Phone MIC for Headsets, MP3, Bluetooth, etc.
Camcorder, Digital Camera etc.
MEMS Microphone Wafer & MEMS Die
MEMS Wafer
MEMS Die
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Profile
Acoustic port hole
W
H
4
1
L
3
2
PIN# FUNCTION 1.OUTPUT, 2.NO CONNECTION 3.GROUND, 4.POWER
Packaging/Cutting
Testing / Marking / Taping
Shipping Inspection
Packing
Reliability Test
MEMS Microphone 产品简介
Application of Product
MEMS Wafer Fab. < MEMS Microphone >
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Module Structure
Silicon diaphragm
Silicon Back Plate MEMS Acoustic
Sensor
RF Filter
ASIC
GND V out
V supply
MEMS Microphone 产品简介
Performance Comparison
Specification
MEMS Microphone
Frequency range
100-10,000Hz
Sensitivity (0dB=1V/Pa @1k Hz) -42dB+/-3dB
Output impedance
<100 Ω max
Signal to noise ratio (SNR)
P/N SM0102
Figure
MEMS Microphone
Dimensions [mm]
Sensitivity [dB]
(Vs=2.0V)
3.76(W)x6.15(L)x1.45(H)
-42+/-4
* SM0103
3.76(W)x4.72(L)x1.45(H)
-42+/-4
* SM0104
3.76(W)x4.72(L)x1.45(H)
MEMS Microphone
Packaging
Wafer Foundry Wafer Testing
Incoming Inspection
Wafer Inspection
Wafer Sawing
Wafer Expand
SMT/glueing
Pick up and place MEMS
Wire Bonding
Stage
Temperature Profile
Time (Maximum)
Pro-head
170~180 ℃
120sec.
Solder Melt
Above 230 ℃
100sec.
Peak
260 ℃ Maximum
30sec.
Production Process
Wafer Fabrication
MEMS Microphone 产品简介
MEMS Microphone Presentation
MEMS Microphone
1. 体积小. 2. 便于SMT安装. 3. 耐高温,稳定性好. 4. 灵活的设计应用. 5. 兼容数字化发展. 6. 自动化程度高. 7. 适合大批量生产.
MEMS Microphone 产品简介