MEMS麥克風(fēng)技術(shù)的工作原理及用途

MEMS 硅麥克風(fēng)無(wú)處不在，從手機(jī)、助聽(tīng)器、智能揚(yáng)聲器、計(jì)算機(jī)到車(chē)輛。在本文中，我們介紹它們的工作原理、用途和可用內(nèi)容的基礎(chǔ)知識(shí)。

微機(jī)電系統(tǒng)或 MEMS是使用最初為集成電路 (IC) 開(kāi)發(fā)的技術(shù)在硅上蝕刻和制造的。微機(jī)械噴墨噴嘴可能是第一個(gè)，但是，自 1990 年代以來(lái)，MEMS 技術(shù)創(chuàng)造了各種傳感器和其他機(jī)電設(shè)備，包括麥克風(fēng)。

MEMS 麥克風(fēng)體積小、價(jià)格適中且隨時(shí)可用。麥克風(fēng)元件本身不到 1 毫米，通常要小得多。大多數(shù)采用表面貼裝 IC 外殼，包括帶模擬或數(shù)字輸出的放大電路。音頻信號(hào)的輸入端口可以位于封裝 MEMS IC 的頂部或底部。

大多數(shù)麥克風(fēng)都是消費(fèi)級(jí)的，具有良好的音質(zhì)，但不等同于用于專(zhuān)業(yè)音頻的麥克風(fēng)。

MEMS 麥克風(fēng)如何工作？模擬與數(shù)字麥克風(fēng)輸出

所有麥克風(fēng)都以模擬音頻信號(hào)開(kāi)始，并使用前置放大器（有時(shí)稱(chēng)為緩沖器）將音頻提升到可用但仍然很低的水平。許多使用電容式傳感器技術(shù)，這將在下一節(jié)中介紹。它們包括將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的附加電路。

MEMS麥克風(fēng)模擬輸出

模擬麥克風(fēng)將增強(qiáng)信號(hào)直接發(fā)送到輸出。有兩種輸出類(lèi)型——單端和差分。差分系統(tǒng)有兩個(gè)輸出，彼此相位差 180 度。模擬麥克風(fēng)有三個(gè)或四個(gè)引腳：電源、公共（接地）和一個(gè)或兩個(gè)輸出，具體取決于輸出是單端還是差分。

電源始終由單個(gè)正電源提供。這會(huì)在輸出端產(chǎn)生直流偏移，該偏移應(yīng)由電容器去耦，如圖 2 所示。

圖 2.模擬輸出麥克風(fēng)。

電源電壓通常在 1.8 和 3.5 V 之間，典型的直流偏移在 0.8 到 1.5 V 之間。

MEMS 麥克風(fēng)數(shù)字輸出

具有數(shù)字輸出的 MEMS 麥克風(fēng)執(zhí)行模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換，將放大的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。大多數(shù)使用delta-sigma 轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生 PDM（脈沖密度調(diào)制）輸出，如圖 3 所示。

圖 3.脈沖密度調(diào)制。當(dāng)音頻信號(hào)較高時(shí)，高脈沖（藍(lán)色）具有較高的密度。

圖片由MyNewMicrophone.com提供

脈沖密度（即邏輯高脈沖的百分比）與電壓成正比。這不是你通常認(rèn)為的數(shù)字，因?yàn)闆](méi)有創(chuàng)建數(shù)字詞，只是脈沖。盡管通常使用微處理器程序或音頻 CODEC（編碼器/解碼器），但只需將脈沖流通過(guò)低通濾波器即可對(duì)其進(jìn)行解碼。

大多數(shù)數(shù)字輸出 MEMS 麥克風(fēng)有五個(gè)引腳，如圖 4 所示：

電源

共同點(diǎn)）

輸出

時(shí)鐘輸入

L/R（左/右）選擇

圖 4.數(shù)字輸出麥克風(fēng)用于立體聲系統(tǒng)

L/R 選擇如何工作？如果連接為高電平（左），則 A/D 輸出在時(shí)鐘變高后發(fā)送。如果低，則數(shù)據(jù)跟隨低時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。這樣，左右輸出可以通過(guò)同一條數(shù)據(jù)線發(fā)送。

一些麥克風(fēng)使用最初由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)為恩智浦半導(dǎo)體）創(chuàng)建的I2S（Inter-IC Sound）標(biāo)準(zhǔn)。與 PDM 一樣，它有一個(gè)時(shí)鐘和 L/R 選擇輸入，但輸出是數(shù)字字，而不是調(diào)制脈沖。同樣，與 PDM 一樣，它可以通過(guò)微處理器軟件或 I2S CODEC 解碼。此外，它不能被低通濾波器解碼。

MEMS麥克風(fēng)技術(shù)

大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)都使用電容式傳感器技術(shù)。硅結(jié)構(gòu)中的薄鍍膜隨著聲音振動(dòng)，產(chǎn)生變化的電容。電容器的第二個(gè)極板位于硅中的固定表面上。IC 中的電荷泵為電容器產(chǎn)生高直流電壓。IC 電路將電容變化轉(zhuǎn)換為代表 MEMS 膜上音頻信號(hào)的電信號(hào)。

最近，一些制造商制造了使用壓電傳感元件的麥克風(fēng)。壓電元件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生音頻電壓。這些公司聲稱(chēng)比電容有一些優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用哪種技術(shù)并不重要。

您可能還會(huì)看到術(shù)語(yǔ)“硅麥克風(fēng)”。這不是第三種技術(shù)，只是描述硅 MEMS 麥克風(fēng)的不同方式。

MEMS麥克風(fēng)封裝

麥克風(fēng)元件及其電路不在同一硅芯片上。他們的制造技術(shù)差異太大，無(wú)法將它們制造在一起。相反，麥克風(fēng)和單獨(dú)的 ASIC（專(zhuān)用集成電路）組合在同一個(gè)封裝中，通過(guò)引線鍵合連接，如圖 5 所示。

圖 5.帶有頂部聲音端口的 MEMS 麥克風(fēng)封裝。

MEMS 麥克風(fēng)采用類(lèi)似 IC 的封裝，用于表面貼裝組裝。當(dāng)然，它們需要端口讓聲音進(jìn)入。如圖 1 前面所示，頂部和底部端口可用。圖 5 是頂部端口 MEMS 麥克風(fēng)的示例。如果使用帶有底部端口的麥克風(fēng)，則必須在其下方的電路板上打一個(gè)孔，如圖 6 所示。

圖 6.帶有底部聲音端口的 MEMS 麥克風(fēng)封裝。

MEMS 麥克風(fēng)的 PCB 安裝

標(biāo)準(zhǔn)回流焊接技術(shù)可用于將 MEMS 麥克風(fēng)連接到 PCB。但是，您當(dāng)然必須小心，不要讓污染物進(jìn)入聲音端口。在清潔過(guò)程中，您可能需要用膠帶封住或密封端口。

如果使用真空拾音器，不要讓它們接觸聲音端口。另外，請(qǐng)勿將空氣吹入端口或?qū)Ⅺ溈孙L(fēng)暴露在真空中。最后，在您的設(shè)計(jì)中，放置一個(gè)電源至公共旁路電容器，使其盡可能靠近麥克風(fēng)。0.1 uF 陶瓷電容器通常是電源去耦的不錯(cuò)選擇。

MEMS 麥克風(fēng)一般規(guī)格

大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)具有相似的規(guī)格。以下是一些典型值。敏感性令人困惑，所以讓我們先嘗試處理它。

模擬輸出靈敏度（典型值）：-38 dBV，94 dB SPL，1 kHz

數(shù)字輸出靈敏度（典型值）：-26 dB FS，94 dB SPL，1 kHz

讓我們更詳細(xì)地了解每個(gè)規(guī)范的含義。

dBV 表示相對(duì)于 1 V 參考的分貝數(shù)。-38 dBV 相當(dāng)于 12.6 mV。

dB FS 表示相對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程的分貝數(shù)。

SPL 表示聲壓級(jí)。根據(jù)一篇在線文章，3 英尺外的正常對(duì)話約為 40 至 60 dB SPL。耳朵處的 85 dB SPL 會(huì)導(dǎo)致聽(tīng)力受損。因此，94 dB SPL 是一個(gè)很高的值。

在正常語(yǔ)音水平下，模擬麥克風(fēng)的輸出將是低毫伏，而數(shù)字麥克風(fēng)將遠(yuǎn)低于滿量程。在某種程度上，這是一件好事，因?yàn)樗鼮轫懥恋穆曇袅粝铝撕艽蟮挠嗔俊?/p>

頻率響應(yīng)：通常從低端的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz。適合語(yǔ)音，非常適合大多數(shù)音頻。有些下降到 20 赫茲。在高端，響應(yīng)在較高頻率下增加，在 30 至 40 kHz 附近具有顯著的超聲共振峰值。在此之上，響應(yīng)下降。

工作溫度：大部分為-40至+85攝氏度。

電源電壓：從 1.5 或 2 V 到 3 或 3.6 V。規(guī)格各不相同。

尺寸：3 x 4 毫米或更小，高約 1 至 1.5 毫米。大多數(shù)使用相同的表面貼裝焊盤(pán)圖案。

與往常一樣，檢查您計(jì)劃使用的麥克風(fēng)的規(guī)格。

MEMS 技術(shù)在傳感器（包括麥克風(fēng)）方面取得了驚人的進(jìn)步。MEMS 麥克風(fēng)通常設(shè)計(jì)用于電路板安裝，不僅包括麥克風(fēng)，還包括具有模擬或數(shù)字輸出的支持電路。我們回顧了基本技術(shù)、模擬和數(shù)字輸出、物理封裝和典型規(guī)格。

MEMS 麥克風(fēng)價(jià)格低廉，可從十多家制造商處廣泛購(gòu)買(mǎi)。您可以在您最喜歡的電子經(jīng)銷(xiāo)商處找到它們。有些小批量低至一美元左右。對(duì)于業(yè)余愛(ài)好者，還有分線板。

審核編輯：郭婷