MEMS麦克风的基本原理

严密控制灵敏度 • 在执行噪声抑制和声波聚束等功能的性能算法中，我们通常假设麦克风阵列中的每个麦克风 单元具有相同的灵敏度，因此，麦克风单元之间的灵敏度变化将会影响算法的性能。 • 这个问题对灵敏度匹配提出了较高的要求。MEMS麦克风的灵敏度公差通常为±3 dB，但是 麦克风公差可降到±1 dB，具体做法是，按照更严格的公差标准筛选麦克风（产品分级）， 且/或优调麦克风ASIC，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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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。
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。 电源抑制比(PSR) • 麦克风电源抑制比是评价麦克风防止噪声从电源输入端进入输出端的能力指标。电源抑制比通常是 在音频带内使用通过仿真GSM蜂窝无线电产生的TDMA噪声的217Hz方波和/或扫描正弦波来指定。
前言
• 微机电系统（MEMS）技术的问世和应用让麦克风变得越 来越小，性能越来越高。MEMS麦克风具有诸多优点，例 如，高信噪比，低功耗，高灵敏度，所用微型封装兼容贴 装工艺，回流焊对MEMS麦克风的性能无任何影响，而且 温度特性非常出色。
MEMS麦克风的声学传感器
• MEMS麦克风所用的声学传感器是利用半导体生产线制作且通过高度自动化过 程封装的芯片。MEMS麦克风的制造过程是，首先，在晶圆上沉积数层不同的 物质，然后蚀去无用的物质，在基础晶片上形成一个腔室，在腔室上覆盖一 层能够运动的振膜和一个固定的背板。传感器背板具有优良的刚性，采用通 孔结构，通风性能优异；而振膜是一个很薄的实心结构，当声波引起气压变 化时，振膜将会弯曲。 振膜较薄，易弯曲。当声波引起的气压变化时，振膜会随着气压变化而弯曲； 背板较厚且多孔，当空气流过时，背板保持静止。当振膜运动时，振膜与背 板之间的电容量将会变化。ASIC器件可将这种电容变化转换成电信号。
更高信噪比 • MEMS麦克风产品性能正在不断提高。几年前，信噪比还是在55 -58 dB区间，如今，已经达到6366dB，拾音信号更加清晰，在同等清晰度下，麦克风的应用距离变得更远。自动语音识别算法取得 良好的识别率需要更高的信噪比。 更高声压级 • 很多用户需要声学过载点更高的麦克风，防止在吵闹的环境中麦克风失真。在声压级高于声学过载 点时，麦克风将会产生削波失真，导致吵闹环境的录音（例如摇滚乐）无法使用。
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MEMS麦克风ASIC
• 在MEMS麦克风内，ASIC芯片利用电荷泵在麦克风振膜上放置一个固定的参考电荷。当振膜运动导 致振膜与背板之间的电容量发生变化时，ASIC测量电压变化。模拟MEMS麦克风的输出电压与瞬间 气压成正比。模拟麦克风通常只有三个引脚：输出、电源电压 (VDD)和地。虽然模拟MEMS麦克风的 接口在原理上比较简单，但是，为避免在麦克风输出与信号接收芯片的输入之间出现拾起噪音，模 拟信号要求工程师必须精心设计印刷电路板和线缆。大多数应用还需要低噪音频模数转换器，把模 拟麦克风输出转换成数字格式，用于后序处理和/或传输。 顾名思义，数字MEMS麦克风的输出为数字信号，可在高低逻辑电平之间转换。大多数数字麦克风 采用脉冲密度调制技术 (PDM)，生成过采样率较高的单个比特的数据流。脉冲密度调制麦克风的脉 冲密度与瞬间空气压力级成正比。脉冲密度调制技术与D类功放所用的脉宽调制（PWM）技术相似， 不同之处是，脉宽调制技术的脉冲间隔时间是定量，使用脉宽给信号编码，而脉冲密度调制则相反， 脉宽是定量，使用脉冲间隔时间给信号编码。 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。 数字麦克风输出相对来说具有较高的抗噪性，但是信号完整性却是一个令人们关心的问题，因为寄 生电容以及麦克风输出与系统芯片之间的电感导致信号失真。阻抗失匹也会产生反射问题，若数字 麦克风与系统芯片间隔较大，反射现象将会导致信号失真。 虽然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格式在大多数情况下必须 转转换成多比特脉冲代码调制(PCM)格式。很多编解码器和系统芯片都有PDM输入，其内部滤波器 负责将PDM数据转换成PCM格式。微控制器也使用同步串行接口捕获数字麦克风的PDM数据流，然 后通过软件滤波器将其转换成PDM格式。
声波聚束 • 两个以上的麦克风还用于执行声波聚束功能，处理麦克风阵列的输出信号，提高沿某一个方 向的灵敏度，同时抑制其它方向的声音。多数麦克风提供全向输出，即所有方向的灵敏度相 同，但是，在多数情况下，设计人员需要将灵敏度聚焦于某一个方向，并降低其它方向的灵 敏度，以提高音质的清晰度。声波聚束利用不同方向的声音的相位差，将麦克风的灵敏度聚 焦于某一个方向。声波聚束还能用于确定音源方位。声波聚束特别适用于麦克风与讲话人距 离较远的应用场合，例如，居室、会议室、车内。其它应用情景包括在吵闹的环境内使用麦 克风或视频会议。
降低环境噪声 • 很多智能手机和平板电脑为实现录像等功能，都开始安装多个麦克风。降低环境噪声是多麦 克风组合的另一种常见应用。很多智能手机在顶部或背面装有一支麦克风，用于检测周围环 境噪声，然后从话筒输出中减去环境噪声成份，从而提高音频信号的纯净度。以录像为主要 用途的麦克风经常用于降低环境噪声。
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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。
更小封装 • 随着消费者对轻薄产品的需求日益提高，MEMS麦克风正在不断缩小封装。早期的MEMS麦克风封装 尺寸为3.76mm x 4.72mm x 1.25mm，如今，3mm x 4mm x 1mm和2.95mm x 3.76mm x 1mm是常见的 封装尺寸。更新的MEMS麦克风为2.5mm x 3.35mm x 0.98mm和 2.65mm x 3.5mm x 0.98mm。这种小 型化趋势将会持续下去，不过，随着封装缩小，后室面积也会随之缩减，音质提升甚至保持现有水 平都会变得很难。
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： • 信噪比(SNR) • 信噪比(SNR)通常是最重要的麦克风性能指标。信噪比是麦克风的灵敏度与背景噪声的差值，通常用dB表示。现有 MEMS麦克风的信噪比是在56dB至66dB之间。 • 灵敏度 • 麦克风灵敏度是用于测量麦克风对已知声压级的响应能力。灵敏度通常在94dB 声压级(1 Pa)条件下使用1kHz频率进 行测量的结果。模拟麦克风的灵敏度通常表示为相对于1V RMS信号的分贝数(dBV)，而数字麦克风的灵敏度通常表示 为相对于麦克风满量程输出的分贝数(dB FS)。 • 背景噪声 • 麦克风的背景噪声又称本底噪声，是指在较安静的环境内，麦克风输出中的噪声量。声学传感器和接口ASIC都会向 麦克风输出信号注入噪声。传感器噪声是空气分子随机布朗运动产生的，而ASIC的噪声源则是前置放大器，数字麦 克风ASIC的噪声源是Δ-Σ调制器。应在全音频带内测量背景噪声，而A加权滤波器用于更精确地测量人耳能够听到的 噪声级。 • 背景噪声不总是出现在麦克风数据表内，但是，只要用灵敏度减去信噪比即可算出背景噪声，数值单位为dBV或dB FS。从测量灵敏度（通常是94 dB SPL）的声压级中减去信噪比，可以算出用等效输入噪声表示的背景噪声，单位为 dB SPL。 • 失真(THD) • 失真是测量麦克风拾音精度的指标。失真的条件通常是在94 dB – 100 dB SPL范围内，表示在正常声压级条件下音频 信号的质量。 • 声学过载点(AOP) • 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。