MEMS電容傳感器芯片測(cè)試原理及重要參數(shù)

1 概述

據(jù)介紹，MEMS麥克風(fēng)包含MEMS傳感器芯片及ASIC（Application Specific Integrated Circuit，為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路）芯片，MEMS電容傳感器芯片將聲壓轉(zhuǎn)化為電容變化，ASIC芯片監(jiān)控此電容變化，并將其模擬電信號(hào)傳送給ADC（Analog Digital Convert， 模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化器）。其體積小，耐熱性能較強(qiáng)，在回流焊中保持8~10分鐘，同時(shí)承受回流焊中氣化的助焊劑和溶劑沖擊，焊接完成后，其性能的檢測(cè)非常重要。在回流焊后，機(jī)構(gòu)件組裝前檢測(cè)性能，將在較大程度上避免了在成品端發(fā)現(xiàn)不良而導(dǎo)致的拆機(jī)報(bào)廢。這個(gè)階段測(cè)試對(duì)象為PCBA（Print Circuit Board Assembly），測(cè)試過(guò)程稱之為SA（Sub assembly）測(cè)試。此時(shí)的PCBA上已焊接了MEMS麥克風(fēng)，ADC集成電路芯片等，具備接收聲音信號(hào)并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后傳輸給中央處理器分析的功能。如果發(fā)現(xiàn)性能不良，即可針對(duì)性進(jìn)行PCBA分析與維修。

當(dāng)SA測(cè)試通過(guò)后，經(jīng)過(guò)MEMS麥克風(fēng)保護(hù)網(wǎng)，機(jī)構(gòu)上殼及智能音箱主體（包含喇叭及具有功放功能的主控制板）等機(jī)構(gòu)組裝后，需綜合評(píng)價(jià)MEMS麥克風(fēng)性能，此性能直接關(guān)系到使用者的體驗(yàn)感受，為了避免因機(jī)構(gòu)組裝導(dǎo)致的性能不良，影響使用，引入FA（Final Assembly）測(cè)試，重點(diǎn)評(píng)價(jià)MEMS麥克風(fēng)在整機(jī)性能中的表現(xiàn)。

2 SA測(cè)試

2.1 測(cè)試原理及重要參數(shù)

測(cè)試對(duì)象PCBA上的單體為MEMS麥克風(fēng)，傳聲孔在零件底部，信號(hào)傳輸為模擬差分信號(hào)傳輸。此類麥克風(fēng)通常由一片極薄的硅敏感膜和一個(gè)帶點(diǎn)極板（或背板）構(gòu)成電容結(jié)構(gòu)，通過(guò)敏感膜和極板間的電容變化來(lái)探測(cè)聲音振動(dòng)造成的敏感膜的偏移。聲波碰撞活動(dòng)極板引起兩個(gè)極板之間的間距變化，從而改變了麥克風(fēng)的電容，引起極板上電荷的不平衡，產(chǎn)生了電信號(hào)。

測(cè)試通過(guò)待測(cè)PCBA與挑選的標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)之間的數(shù)據(jù)比較，得到相應(yīng)的響應(yīng)曲線，來(lái)判定良品與不良品。主要性能參數(shù)有Raw FR（Frequency Response，頻率響應(yīng)），F(xiàn)I（Fault Injection，不良注入）FR。頻率響應(yīng)是反映MEMS麥克風(fēng)對(duì)頻率動(dòng)態(tài)反應(yīng)的重要參數(shù)。在聲電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，我們把麥克風(fēng)在恒定電壓和規(guī)定入射角聲波的作用下，各頻率聲波信號(hào)的開路輸出電壓與規(guī)定頻率麥克風(fēng)的開路輸出電壓之比，稱為麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)，單位是分貝（dB）。

不良注入FR的測(cè)試概念：將麥克風(fēng)傳音孔與其剩下本體分別處于兩個(gè)獨(dú)立的音腔中，在非傳音孔所處的音腔中，設(shè)置一個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)聲，測(cè)試時(shí)記錄麥克風(fēng)頻響，如果頻響被抑制，則表明麥克風(fēng)本體與PCB焊接良好，沒(méi)有或只有極其微弱的聲音從麥克風(fēng)非傳聲孔的路徑傳入MEMS傳感器。

2.2 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試所需硬件包括：獨(dú)立聲卡（創(chuàng)見(jiàn)聲卡），雙通道電源供應(yīng)器（型號(hào)：BK9173），功放（型號(hào)：GX3），無(wú)源喇叭（用于不良注入測(cè)試時(shí)發(fā)聲），無(wú)源音箱（型號(hào)：LS50），專用音箱CPU電路板（用于接收待測(cè)品，UUT傳出的電信號(hào)，CPU電路板與UUT（Unit Under Test，待測(cè)品）之間通過(guò)FPC（Flexible Printed Circuit，柔性電路板）連接），掃描槍（Scanner，用于讀取待測(cè)品條碼），測(cè)試用電腦（PC，使用網(wǎng)線與CPU通信；同時(shí)用USB接口控制電源控制器；使用串口（RS232）控制測(cè)試箱；通過(guò)聲卡及功放控制無(wú)源喇叭及LS50發(fā)聲）。虛線部分示意測(cè)試箱體，其包括兩個(gè)獨(dú)立的隔音箱體，同時(shí)兩箱體中間部分有預(yù)留小孔，便于下箱體中LS50發(fā)出的聲音傳入U(xiǎn)UT上的麥克風(fēng)傳聲孔，UUT放置于上箱體中的硅膠載具上，麥克風(fēng)傳聲孔與箱體預(yù)留小孔一一對(duì)應(yīng)，其他部分保持與下箱體隔離。

2.3 測(cè)試過(guò)程

使用LabVIEW編寫測(cè)試控制程式，并通過(guò)網(wǎng)線將CPU傳回的信號(hào)生成曲線，可直接通過(guò)觀察曲線判定麥克風(fēng)性能。測(cè)試程式通過(guò)聲卡功放驅(qū)動(dòng)LS50發(fā)出10 Hz~10 KHz的音源，此時(shí)麥克風(fēng)處于信號(hào)接收狀態(tài)，電源供應(yīng)器提供麥克風(fēng)偏置直流電壓3.3 V，LED電源電壓5 V（LED用于指示整個(gè)麥克風(fēng)陣列工作電壓是否正常），麥克風(fēng)接收到聲音信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，傳至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADC處理后將數(shù)字信號(hào)傳輸給音箱專用CPU電路板進(jìn)行較復(fù)雜的內(nèi)部計(jì)算，完成后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，將數(shù)據(jù)輸送到測(cè)試軟體，軟件解析數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較生成對(duì)應(yīng)的曲線，完成Raw FR測(cè)試。

麥克風(fēng)陣列中每個(gè)麥克風(fēng)與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)中對(duì)應(yīng)位置的麥克風(fēng)FR偏差不能超過(guò)±1dB。同理，在Raw FR測(cè)試完成后，程式驅(qū)動(dòng)上音腔的無(wú)源喇叭發(fā)聲，此時(shí)麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)，為了簡(jiǎn)化測(cè)試，只分析100 Hz時(shí)麥克風(fēng)頻響。如果測(cè)試結(jié)果超出上限，則表示麥克風(fēng)在SMT焊接時(shí)存在缺陷，典型的不良現(xiàn)象為接地圈焊接不密閉。因量產(chǎn)階段無(wú)法通過(guò)X射線全檢所有PCBA上的麥克風(fēng)焊接點(diǎn)，故電性測(cè)試排除就顯得很關(guān)鍵。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的選擇

如上文所提，我們的測(cè)試為相對(duì)測(cè)試，即待測(cè)物測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，偏差需保證在一定范圍內(nèi)，以FR測(cè)試為例，如果麥克風(fēng)陣列中的某個(gè)位置的麥克風(fēng)FR偏差超出標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)對(duì)應(yīng)位置的麥克風(fēng)，則說(shuō)明待測(cè)物的麥克風(fēng)存在問(wèn)題，可能是焊接問(wèn)題，也可能是麥克風(fēng)本體性能問(wèn)題。焊接問(wèn)題可用X射線檢測(cè)確認(rèn)；本體性能問(wèn)題可用交叉驗(yàn)證法進(jìn)行排查。確認(rèn)問(wèn)題點(diǎn)后，進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)。因?yàn)槭窍鄬?duì)測(cè)試，故標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的選擇非常重要，下面我們介紹樣機(jī)的挑選過(guò)程。

首先麥克風(fēng)制造廠商需準(zhǔn)備一批經(jīng)過(guò)嚴(yán)格單體測(cè)試的麥克風(fēng)，在94 dB SPL，1 KHz的條件下，單體敏感度為-38 dBV/Pa（±1 dB）。下一步，利用SMT制程將單體焊接于PCB上，形成麥克風(fēng)陣列。X射線全檢SMT焊接點(diǎn)，最后在我們搭建的測(cè)試環(huán)境中測(cè)試，得到樣機(jī)的原始曲線。被選做樣機(jī)的PCBA，陣列中每個(gè)麥克風(fēng)在1 KHz頻率點(diǎn)的FR必須為0 dB（±0.5 dB）。樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)保存在測(cè)試程式固定的位置，以便測(cè)試正常待測(cè)品時(shí)程式調(diào)用比對(duì)。

3 FA測(cè)試

SA測(cè)試后，得到性能良好的PCBA，經(jīng)過(guò)一系列組裝，形成整機(jī)，即最終用戶所見(jiàn)成品機(jī)，可通過(guò)FA的SPL（Sound Pressure Level）測(cè)試，評(píng)價(jià)麥克風(fēng)陣列在成品機(jī)中性能，將不良品攔截在組裝代工廠內(nèi)。

3.1 測(cè)試原理及重要參數(shù)

同樣FA測(cè)試也為相對(duì)測(cè)試，將在SA挑選出來(lái)的一部分樣機(jī)組裝到整機(jī)，本文所談智能音箱，麥克風(fēng)陣列組裝在整機(jī)頂部，便于多角度拾取聲音。使用Sound Check軟體搭建軟體測(cè)試環(huán)境，利用FR及Phase（相位）兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)定性能。FR用于判定麥克風(fēng)本體性能是否在組裝過(guò)程中受到損傷，及麥克風(fēng)傳聲孔是否在組裝過(guò)程中被堵塞；Phase用于判定麥克風(fēng)的傳聲孔與機(jī)構(gòu)件預(yù)留孔之間位置的匹配性，預(yù)留孔過(guò)大過(guò)小及位置偏差，均可反映到測(cè)試曲線。

3.2 測(cè)試環(huán)境和測(cè)試過(guò)程

使用只含有一個(gè)音腔的SPL測(cè)試箱，無(wú)源聲源LS50置于測(cè)試箱體頂部，待測(cè)整機(jī)置于聲源正下方，整機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與PC通信。PC中的Sound Check測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)USB接口控制RME聲卡，將設(shè)置好的音源檔案?jìng)鬏斨凉Ψ臛X3，GX3將信號(hào)放大后傳給LS50，LS50按要求發(fā)出固定頻段的聲波，以便麥克風(fēng)陣列拾取。麥克風(fēng)陣列拾取到聲波，經(jīng)整機(jī)內(nèi)部的CPU處理后通過(guò)網(wǎng)線將信號(hào)傳至Sound Check軟體生成曲線，從而判定整機(jī)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著消費(fèi)智能性電子產(chǎn)品向更便攜更穩(wěn)定的方向發(fā)展，人機(jī)交互的要求原來(lái)越高，MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其對(duì)醫(yī)療、汽車均有較大的吸引力。本文針對(duì)智能音箱上所應(yīng)用MEMS麥克風(fēng)陣列的測(cè)試闡述了工廠端生產(chǎn)測(cè)試的方案，所提及的測(cè)試原理及過(guò)程對(duì)不同領(lǐng)域的涉及MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用的產(chǎn)品測(cè)試是很好的借鑒。
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