MEMS麥克風(fēng)技術(shù)和解析：一文讀懂什么是硅麥？

來源：locationsound同期錄音網(wǎng)

麥克風(fēng)想必大家并不陌生。從日常通信、娛樂體驗，自動駕駛和智能家居等高科技應(yīng)用中，還有我們最熟悉的專業(yè)領(lǐng)域的聲音錄制和制作，麥克風(fēng)都發(fā)揮著不可或缺的作用。

我們一只都在了解的是較傳統(tǒng)的麥克風(fēng)，但已經(jīng)有不少年了，MEMS硅麥克風(fēng)得到了迅猛發(fā)展，是目前應(yīng)用最多的麥克風(fēng)，它結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，尤其是微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，功能日益強大。

MEMS麥克風(fēng)適用于所有音頻應(yīng)用，其特點是小尺寸、高音質(zhì)、可靠性和經(jīng)濟性。MEMS麥克風(fēng)可以說是已經(jīng)無處不在，它們的“微小”存在讓我們的設(shè)備能夠“聽到”并響應(yīng)周圍的聲音，極大地豐富了所有人的音頻體驗。雖然目前專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少，但我們認(rèn)為MEMS多麥克陣列拾音將是未來麥克風(fēng)發(fā)展趨勢之一，并已經(jīng)被專業(yè)拾音開始應(yīng)用，今天就借二條森海塞爾投資MEMS麥克風(fēng)先驅(qū)的機會向朋友們介紹一下。

01

MEMS麥克風(fēng)技術(shù)是什么？

MEMS，（微機電系統(tǒng)micro electro mechanical systems）麥克風(fēng)是基于MEMS技術(shù)制造的麥克風(fēng)，由硅結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行物理拾音，又通過“硅電路”處理，所以又稱“硅麥克風(fēng)”。

從拾音器件來分類，大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)都可以被歸類為電容麥克風(fēng)，使用電容式傳感器技術(shù)。

這幾年，一些制造商制造了使用壓電傳感元件的麥克風(fēng)，壓電元件的運動產(chǎn)生音頻電壓。

02

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

在MEMS麥克風(fēng)中，硅結(jié)構(gòu)中的薄鍍膜隨著聲音振動，直連產(chǎn)生變化的電容，電容器的第二個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 膜上音頻信號的電信號。

所有麥克風(fēng)的初始信號當(dāng)然都是模擬音頻，這些微弱的信號需要通過前置放大器進(jìn)行增幅，以提升其至可用但仍較低的電平，然后通過集成的專門的電路，將變化的電信號轉(zhuǎn)換為模擬或者數(shù)字信號。

MEMS麥克風(fēng)模擬輸出…

MEMS Microphone Analog Output

模擬麥克風(fēng)將增幅后的信號直接傳送至輸出端。輸出類型分為單端和差分兩種，其中差分系統(tǒng)具有兩個輸出，它們之間的相位差為180度。根據(jù)輸出是單端還是差分，模擬麥克風(fēng)通常設(shè)有三或四個引腳：電源引腳、公共接地引腳，以及一個或兩個輸出引腳。

值得注意的是，電源始終由單一的正電源提供。這會導(dǎo)致在輸出端產(chǎn)生一個直流偏移。為了消除這一偏移，應(yīng)當(dāng)使用電容器進(jìn)行去耦，如下所示。

模擬輸出麥克風(fēng)

大多數(shù)麥克風(fēng)都是消費級的，具有良好的音質(zhì)，但與用于專業(yè)音頻的麥克風(fēng)還是有不小差距。

MEMS麥克風(fēng)數(shù)字輸出…

MEMS Microphone Digital Output

配備數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng)會進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，即將經(jīng)過放大的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這些麥克風(fēng)大多采用delta-sigma轉(zhuǎn)換技術(shù)，生成的是脈沖密度調(diào)制（PDM）輸出，具體過程下圖所示。

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

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，因為沒有創(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低通濾波器即可對其進(jìn)行解碼。

大多數(shù)數(shù)字輸出 MEMS 麥克風(fēng)有五個引腳，如下圖所示：

電源

共同點

輸出

時鐘輸入

L/R（左/右）選擇

數(shù)字輸出麥克風(fēng)用于立體聲系統(tǒng)

L/R 選擇機制的工作原理是，當(dāng)連接設(shè)置為高電平（左）時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）的輸出會在時鐘信號上升沿后發(fā)送。若設(shè)置為低電平，則數(shù)據(jù)會在時鐘信號下降沿時傳輸。通過這種方式，左右聲道的輸出可以共用同一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行發(fā)送。

MEMS麥克風(fēng)封裝

MEMS Microphone Packaging

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，無法將它們制造在一起。相反，麥克風(fēng)和單獨的 ASIC（專用集成電路）組合在同一個封裝中，通過引線鍵合連接，如下圖所示。

帶有頂部聲音端口的 MEMS 麥克風(fēng)封裝

MEMS 麥克風(fēng)采用類似 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。如前面所示，頂部和底部端口可用。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孔，如下圖所示。

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

PCB Mounting of MEMS Microphones

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

MEMS 麥克風(fēng)一般規(guī)格

MEMS Microphone General Specifications

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

在正常語音電平下，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，因為它為響亮的聲音留下了很大的余量。

頻率響應(yīng)：通常從低品的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz，適合語音，非常適合大多數(shù)音頻，現(xiàn)在很多新品都達(dá)到 20 Hz。在高頻，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圖案。

MEMS麥克風(fēng)是MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器里的一個分支應(yīng)用，它們是人類科技發(fā)展的一個里程碑，已成為眾多科技消費應(yīng)用產(chǎn)品的首選。

審核編輯 黃宇