MEMS 麥克風技術簡介 — 模擬麥克風與數字麥克風

MEMS硅麥克風廣泛應用于手機、助聽器、智能揚聲器、計算機和車輛等各個領域。了解它們的工作原理、用途和可用內容的基礎知識。

微機電系統(tǒng)（MEMS）使用最初為集成電路（IC）開發(fā)的技術在硅上蝕刻和制造。微加工噴墨噴嘴可能是第一個，然而，自 1990 年代以來，MEMS 技術創(chuàng)造了各種傳感器和其他機電設備，包括麥克風。

MEMS麥克風體積小、價格實惠且隨時可用。麥克風元件本身不到 1 毫米，通常要小得多。大多數采用表面貼裝IC外殼，包括帶模擬或數字輸出的放大電路。如圖1所示，音頻信號的輸入端口可以位于封裝MEMS IC的頂部或底部。

圖1. MEMS麥克風的聲音端口位于頂部（左）或底部（右）。圖片［修改］由意法半導體提供

大多數麥克風都是消費級的，具有良好的音質，盡管不等于用于專業(yè)音頻的麥克風。

MEMS麥克風如何工作？模擬與數字麥克風輸出

所有麥克風都以模擬音頻信號開始，并使用前置放大器（有時稱為緩沖器）將音頻提升到可用但仍然較低的電平。許多人使用電容式傳感器技術，這將在下一節(jié)中介紹。它們包括用于將電容變化轉換為電信號的附加電路。

微機電系統(tǒng)麥克風模擬輸出

模擬麥克風將增強信號直接發(fā)送到輸出端。有兩種輸出方式 - 單端和差分。差分系統(tǒng)有兩個彼此異相 180 度的輸出。模擬麥克風具有三個或四個引腳：電源、公共（接地）和一個或兩個輸出，具體取決于輸出是單端還是差分。

電源始終由單個正電源供電。這會在輸出端產生直流失調，應由電容去耦，如圖2所示。

圖2. 模擬輸出麥克風。

電源電壓通常在 1.8 至 3.5 V 之間，典型直流偏移為 0.8 至 1.5 V。

MEMS麥克風數字輸出

具有數字輸出的MEMS麥克風執(zhí)行模數（A/D）轉換，將放大的模擬音頻信號更改為數字信號。大多數使用Δ-Σ轉換來產生PDM（脈沖密度調制）輸出，如圖3所示。

圖3.脈沖密度調制。當音頻信號高時，高脈沖（藍色）具有更高的密度。圖片由 MyNewMicrophone.com 提供

脈沖密度（即邏輯上較高的脈沖百分比）與電壓成正比。這不是你通常認為的數字，因為沒有創(chuàng)建數字詞，只是脈沖。脈沖流可以通過簡單地通過低通濾波器來解碼，盡管通常使用微處理器程序或音頻編解碼器（編碼器/解碼器）。

大多數數字輸出MEMS麥克風有五個引腳，如圖4所示：

權力

公共（接地）

輸出

時鐘輸入

L/R（左/右）選擇

圖4.數字輸出麥克風用于立體聲系統(tǒng)。

L/R 選擇如何工作？如果并接高（左），則在時鐘變?yōu)楦唠娖胶蟀l(fā)送 A/D 輸出。如果為低電平，則數據遵循低時鐘轉換。這樣，左右輸出可以通過同一數據線發(fā)送。

一些麥克風使用I2S（IC間聲音）標準，該標準最初由飛利浦半導體（現為恩智浦半導體）創(chuàng)建。與PDM一樣，它具有時鐘和L / R選擇輸入，但輸出是數字字，而不是調制脈沖。同樣，與PDM一樣，它可以通過微處理器軟件或I2S CODEC進行解碼。此外，它不能被低通濾波器解碼。

微機電系統(tǒng)麥克風技術

大多數MEMS麥克風使用電容式傳感器技術。硅結構中的薄鍍膜隨著聲音振動，產生不同的電容。電容器的第二塊板位于硅中的固定表面上。IC中的電荷泵為電容器產生高直流電壓。IC電路將電容變化轉換為代表MEMS膜上音頻信號的電信號。

最近，一些制造商已經使用壓電傳感元件制造了麥克風。壓電元件的運動產生音頻電壓。這些公司聲稱比電容式具有一些優(yōu)勢，但對于大多數應用，您使用哪種技術并不重要。

您可能還會看到術語“硅麥克風”。這不是第三種技術，只是描述硅MEMS麥克風的不同方式。

微機電系統(tǒng)麥克風封裝

麥克風元件及其電路不在同一硅芯片上。它們的制造技術差異太大，無法將它們一起制造。相反，麥克風和單獨的ASIC（專用集成電路）組合在同一封裝中，通過引線鍵合連接，如圖5所示。

圖5. 帶有頂部聲音端口的MEMS麥克風封裝。圖片由 CUI Devices 提供

MEMS麥克風采用類似IC的封裝，用于表面貼裝組裝。當然，它們需要端口來允許聲音進入。如前面的圖 1 所示，頂部和底部端口可用。圖5是頂部端口MEMS麥克風的示例。如果使用帶有底部端口的麥克風，則必須在其下方的電路板上開一個孔，如圖6所示。

圖6. 帶有底部聲音端口的MEMS麥克風封裝。圖片由意法半導體提供

MEMS麥克風的PCB安裝

標準回流焊接技術可用于將MEMS麥克風連接到PCB。但是，當然，您必須小心，以防止污染物進入聲音端口。在清潔過程中，您可能需要用膠帶或密封端口。

如果使用真空拾音器，請勿讓它們接觸聲音端口。此外，請勿將空氣吹入端口或將麥克風暴露在真空中。最后，在設計中，將電源至公共旁路電容放置在盡可能靠近麥克風的位置。0.1 uF陶瓷電容通常是電源去耦的不錯選擇。

微機電系統(tǒng)麥克風一般規(guī)格

大多數MEMS麥克風都有類似的規(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 聲壓級，1 kHz

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

讓我們更詳細地了解每個規(guī)范的含義。

dBV 表示以 1 V 基準電壓源為基準的分貝。-38 dBV相當于12.6 mV。

dB FS 表示以 A/D 轉換器滿量程為基準的分貝。

聲壓級 表示 聲壓級。根據一篇在線文章，3英尺外的正常對話約為40至60 dB SPL。耳朵處的 85 dB 聲壓級會導致聽力損傷。因此，94 dB SPL是一個很高的值。

在正常的語音電平下，模擬麥克風的輸出將是低毫伏，而數字將遠低于滿量程。在某種程度上，這是一件好事，因為它為響亮的聲音留下了很大的動態(tài)余地。

頻率響應：低端通常為 80 或 100 Hz，最高可達 10 或 15 kHz。適合語音，適用于大多數音頻。有些下降到 20 Hz。在高端，響應在較高頻率下增加，在30至40 kHz附近出現明顯的超聲共振峰值。在此之上，響應下降。

工作溫度：大多數為-40至+85°C。

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。大多數使用相同的表面貼裝焊盤圖案。

與往常一樣，請檢查您計劃使用的麥克風的規(guī)格。

MEMS技術在包括麥克風在內的傳感器方面取得了驚人的進步。MEMS麥克風通常設計用于電路板安裝，不僅包括麥克風，還包括支持具有模擬或數字輸出的電路。我們回顧了基本技術、模擬和數字輸出、物理封裝和典型規(guī)格。

MEMS麥克風價格低廉，十幾家制造商都可以廣泛使用。您可以在您最喜歡的電子分銷商處找到它們。有些低至一美元左右，數量很少。對于業(yè)余愛好者來說，也有分組討論板。