MEMS麦克风改变设备声学性能的工作原理

哚哚 · 发表于 2018-10-10

MEMS麦克风改变设备声学性能的工作原理

MEMS（微型机电系统）麦克风外形较小，与目前广泛采用的驻极体麦克风相比，具备更强的耐热、抗振和防射频干扰性能。由于强大的耐热性能，MEMS麦克风采用全自动表面贴装（SMT）生产工艺，而大多数驻极体麦克风则需手工焊接。这不仅能简化生产流程，降低生产成本，而且能够提供更高的设计自由度和系统成本优势。

想象一下不到普通麦克风一半大小并带有集成音频信号处理功能，MEMS麦克风可以作为单芯片手机一个集成部分。新型MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘，但是第一批采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端移动电话。

工作原理

英飞凌麦克风SMM310内含两块芯片：MEMS芯片和ASIC芯片。两颗芯片被封装在一个表面贴装器件中。MEMS芯片包括一个刚性穿孔背电极和一片弹性硅膜。MEMS芯片的用作电容，将声压转换为电容变化。ASIC芯片用于检测MEMS电容变化，并将其转换为电信号，传递给相关处理器件，如基带处理器或放大器等。ASIC 芯片是标准的IC技术。因此，这种双芯片式方法能够快速向ASIC增添额外功能。这种功能既可以是额外构件，如音频信号处理、RF屏蔽，也可以是任何可以集成在标准IC上的功能。

性能特点

今天我们使用的大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风（ECM），这种技术已经有几十年的历史。ECM 的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜。

与ECM的聚合材料振动膜相比，MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260℃的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，这甚至可以节省制造过程中的音频调试成本。

MEMS麦克风需要 ASIC提供外部偏置，而ECM则不需要这种偏置。有效的偏置将使整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数。MEMS芯片的外部偏置还支持设计具有不同敏感性的麦克风。

传统ECM的尺寸通常比MEMS麦克风大，并且不能进行SMT操作。SMT回流焊简化了制造流程，可以省略一个制造步骤，而该步骤现在通常以手工方式进行。

IC与驻极体电容器麦克风内信号处理电子元件并无差别，但这是一种已经投入使用的技术。在驻极体中，必须添加IC，而在MEMS麦克风中，只需在IC上添加额外的专用功能即可。与ECM相比，这种额外功能的优点是使麦克风具有很高的电源抑制比。也就是说，如果电源电压有波动，则会被有效抑制。

SMM310的智能ASIC设计使得其功耗非常低，只有标准ECM的三分之一（在1.5-3.3 V的电源电压下，SMM310的电流消耗为~70 μA，如表1所示）。

表1：新型SMM310硅基MEMS麦克风的特性参数。

另一个优点是集成在IC上的宽带射频抑制性能，这一点不仅对移动电话这样的射频应用尤其重要，而且对所有与移动电话工作原理类似的设备（如助听器）都非常重要。SMM310有一个金属盖，可以对射频进行屏蔽。

MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm的小型薄膜其重量同样轻巧，这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB 噪声产生更低的振动耦合。

广泛的应用领域

考虑到硅基麦克风的众多优势和系统成本，硅基麦克风对那些对尺寸、耐热性、振动和RF都有很高要求的中高端应用，将具有很大的吸引力，例如图1所示的应用实例。

图1：带有额外30pF 电容进行共模抑制的移动电话应用示例

尺寸不仅指麦克风器件的占位空间，还指那些能够通过ASIC更高程度集成可省去的分立器件的尺寸。具有上述要求的应用包括：中高端移动电话、数码相机、PDA或游戏控制台等。

A/D 转换器可以很容易地集成在ASIC中。通过给麦克风配备数字接口，音频信号就不会因为RF 噪声的干扰而失真。这对移动电话和笔记本电脑而言都是一个优势。

对于笔记本电脑而言，硅基麦克风还有另一个优点。在VoIP日渐风行的情况下，笔记本电脑可以当作电话来使用。采用麦克风阵列软件，可以对笔记本电脑附近或整个空间（如会议室）的方向敏感性进行调节。但要计算来自一个阵列中不同麦克风的延迟信号的声音方向，则需要具有非常稳定性能的麦克风，如MEMS麦克风。

除消费应用和数据处理应用领域外，MEMS麦克风对工业、医疗及汽车行业也有很大的吸引力，从机器监视、助听器到车载免提装置等应用都有可能用到MEMS麦克风。中高端应用的系统成本大致相同。但是，MEMS麦克风还有很大的发展潜力。现在也许就是了解这种全新技术的大好时机，以便将来从中受益。

技术展望

英飞凌推出新产品系列—硅基MEMS麦克风，该产品系列中的第一款产品是SMM310—SMT模拟输出单端麦克风。半导体制造商具备制造该产品系列的核心能力。首先是MEMS设计和制造能力，其次是ASIC（专用集成电路）设计和制造能力，最后是大批量低成本封装能力。迄今为止，声频公司一直占据着几乎整个 MEMS麦克风市场。声频公司必须依赖半导体代工厂提供相关技术并与他们分享利润。现在，像英飞凌这样的半导体公司的进入意味着该市场拥有了新的选择，并且降低了元件购买者的风险。

尺寸的进一步缩小将会受到制造过程中标准自动化贴装工具的限制，因为音频端口不能采用真空工具进行操作。其实限制主要来自MEMS尺寸本身，MEMS的尺寸不到当今普通麦克风的一半。

ASIC 中将集成更多功能，A/D 转换和数字输出是第一步。此外，还可利用标准构件，如风噪信号过滤构件。专用接口和信号预处理也将成为一个很大的应用领域。RF 屏蔽也将得到进一步改进。

在音频方面，也会有很多变化。SMM310针对人声进行了优化，但是在20Hz-20kHz的频率范围内，还有较高的声学敏感性。很难预测何时会出现带有集成式麦克风并能记录美妙立体声的单片式录像电话，但是，毫无疑问我们正在朝着这个方向发展。

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