应用与音频设计的MEMS麦克风技术介绍

hlgzs

新一代麦克风为新功能，更高质量的音频和更低的成本开辟了机会。

使用与集成电路相同的CMOS硅技术，微机械（MEMS）器件是比传统麦克风更小，更可靠，可以表面安装。这样可以将麦克风放置在许多不同的位置，开启了诸如降噪功能等新功能，并允许安装麦克风阵列以检测和指导音频流的方向。


Micromachining使用变化标准CMOS工艺技术在硅片中构建物理结构而不是电子结构。这些可以是麦克风中的振膜或用于加速度计和陀螺仪的运动传感器的不同设计，并且可以使用更具成本效益的旧晶圆厂。

使用CMOS技术还可以在同一芯片上实现标准接口，增加集成度并降低系统功耗，因为芯片到芯片的连接和整体材料清单都很少。随着可靠性的提高，这些因素促使该技术进入消费市场，特别是在移动电话中。 MEMS方法的低调和表面贴装能力意味着麦克风可以轻松安装在设计的任何地方，并使终端设备更薄。

这些设备在移动设备中大量使用终端，笔记本电脑和笔记本电脑以及IP语音终端，数码相机和数码相机。此外，它们越来越多地用于在游戏和虚拟现实输入设备中提供语音控制，甚至用于工业系统，以及噪声消除甚至防盗系统。

噪声消除

噪声消除是一种越来越有趣的应用，它通过MEMS麦克风和与它们并行运行的信号处理成为可能。表面贴装MEMS麦克风可以放置在关键位置，以捕获噪声的频率分布。然后，信号处理将轮廓反转并使其偏移，从而提供噪声分布的“相反”。然后通过扬声器输出，以消除背景噪声并提供更清晰的输出或更少的混淆输入。 MEMS麦克风使这种方法更容易实现，并且在更广泛的应用中更具成本效益。

一旦限制使用昂贵的耳机并降低豪华车的噪音，它现在被用于制造移动设备电话交谈更清晰。这推动了MEMS麦克风的数量增加，降低了成本并开辟了新的应用领域，特别是在工业领域。现在可以使用噪声消除，其中清晰的输入和输出对于安全至关重要，包括语音控制应用。在工业设计中使用噪声消除功能可以实现更易于使用的创新用户界面，同时也可以帮助他们更安全。使用波束成形（见下文）可以定位用户的语音，以提供更高的性能。

MEMS麦克风还可以帮助工业设计中的诊断应用。麦克风体积小，易于放置，可以在难以触及的区域使用，提供有关工业系统健康状况的关键数据。通过监控声音的频率，可以提前获取设备的潜在问题并进行预防性维护，从而节省时间和金钱，并最大限度地降低设备在没有警告的情况下发生故障时可能发生的昂贵停机的风险。

防盗

对于防盗应用，可以通过多种方式使用MEMS麦克风。显而易见的是，一旦一个单元被盗并且防盗系统被激活，就可以捕获环境的声音，并且与无线发射器耦合，发送到网站或移动电话，并且通常与位置检测系统耦合。这可以是小而不显眼的，并且可以提供关于盗窃的重要信息。在许多情况下，它也与摄像机的输出耦合，虽然这需要更多的带宽。

然而，MEMS麦克风的小尺寸和增加的灵敏度也允许它们用于运动传感器在防盗系统中。一旦防盗系统被激活，任何移动都会产生特定频率的噪声，这些噪声由麦克风拾取，通过信号处理过滤并触发可能是警报或向移动电话或网页发送消息的警报。使用MEMS麦克风阵列可提供安全算法可用于防止“误报”触发并使系统更准确的方向信息。 MEMS麦克风的较低成本和易于设计允许这样的系统。 STMicroelectronics多年来一直专注于MEMS，拥有专门用于该技术的8英寸晶圆生产线，生产麦克风以及加速度计和其他MEMS传感器。

MP34DB01是一款超紧凑，低端的电源，全向，数字MEMS麦克风，带有电容式传感元件和具有立体声操作功能的IC接口。 ST的MEMS麦克风使用正在申请专利的技术，允许设计人员将麦克风膜放置在靠近封装顶部的声孔的位置，性能大幅提升，不会造成任何损失。



图1：STMicroelectronics的USB评估板中的MP34DB01 MEMS麦克风。

能够检测声波的传感元件采用专业制造硅微加工工艺专用于生产音频传感器。该接口采用CMOS工艺制造，允许设计专用电路，能够以PDM格式从外部提供数字信号。

MP34DB01的声学过载点为120 dB SPL，信噪比为62.6 dB，灵敏度为-26 dB FS，采用底部端口表面贴装EMI屏蔽封装，并保证可在-30°C至+ 85°C的扩展温度范围内工作。它采用单电源供电，PDM单比特输出，可选择立体声配置。

这符合语音识别系统对语音控制软件和电子助手应用的需求。新的消费类应用，在不增加主处理器工作负载的情况下提高音频清晰度是关键因素。

除了传统电容式麦克风的尺寸，稳健性和低功耗优势之外，MEMS麦克风还可以改进多麦克风应用中的音质。这种麦克风阵列通过MEMS设计的小外形尺寸，灵敏度匹配和频率响应来实现，可实现有源噪声和回声消除，以及波束成形，以帮助隔离声音及其位置。

与此同时，Knowles Acoustics的SPU0409HD5H基于该公司的SiSonic硅基技术。 MEMS设计允许更小的尺寸，更小的外形和安装选项，更高的输出容量以及消除模拟噪声的新数字音频选项。对于制造商而言，表面贴装设计消除了离线子组件的生产成本，而麦克风也可以与专利的IntelliSonic软件和特殊的移植设计集成，以提供精确定制的声音。


图2：Knowles Acoustics的SiSonic MEMS麦克风。

硅结构提供高度的制造可重复性和稳定（可预测）的声学性能，同时获得专利的'自由漂浮“隔膜不受传统驻极体电容式麦克风隔膜中可变机械张力引起的麦克风灵敏度变化的影响。同时，低质量和小振膜产生出色的振动灵敏度性能。

ADI公司将其音频信号处理专业知识与其iMEMS技术相结合，为一系列具有信噪比的麦克风提供比率（SNR）为62 dB A加权，电源抑制比为70 dBV，集成高通滤波。这意味着设备制造商可以开发便携式电子设备，提供更清晰，更清晰的语音质量，而不会产生其他具有较低信噪比的麦克风产生的背景噪音/嘶嘶声。

ADMP401是一款高品质，高性能，低功耗，模拟输出，底部端口的全向MEMS麦克风。它将MEMS麦克风元件与阻抗转换器和输出放大器相结合，为近场和远场应用提供足够的灵敏度。 ADMP401具有高SNR和扁平宽带频率响应，具有高清晰度的自然声音和低电流消耗，可为便携式应用提供长电池寿命。



图3：ADI公司的ADMP401 MEMS麦克风。

ADI公司看到的关键应用之一是波束成形，其中定向波束阵列可用于检测噪声方向并应用改进防盗系统中的噪声消除。

所有MEMS麦克风都具有全向拾音响应，这意味着它们对来自任何方向的声音响应相同。可以在阵列中配置多个麦克风以形成方向响应或波束图案。波束形成麦克风阵列可以设计为对来自一个或多个特定方向的声音比来自其他方向的声音更敏感。

hlgzs

麦克风匹配

麦克风光束发射器的良好性能要求该阵列的不同元件的灵敏度和频率响应紧密匹配。不同阵列元素之间的这两个参数的差异导致阵列的期望响应的破坏。空值可能不那么尖锐，阵列的方向性可能没有正确定向。当MEMS麦克风用于波束成形阵列时，它们的灵敏度和频率响应需要紧密匹配。

对SNR的影响取决于阵列配置和处理，并可能导致增加或降低不同阵列拓扑的系统SNR。选择具有最高SNR规格的麦克风非常重要，以最大限度地提高整体系统性能。

在轴上，宽边波束形成器的输出类似于简单地将两个相同的信号相加以改善SNR。在宽边求和阵列中，来自多个麦克风的内部或“自我”噪声以功率项加在一起，随着麦克风数量的增加，噪声增加3 dB。

此案例演示随着信号电平加倍，波束成形在提高性能方面的优势在于增加了6 dB。同时，噪声总和使整体电平增加3 dB，从而使SNR提升3 dB。

麦克风差分阵列波束形成器的轴上频率响应是频率为麦克风间距的两倍（通常约为4.1 kHz）的频率为6 dB。在此频率附近，阵列的信号输出与其噪声之间的差异高于每个单独的麦克风，但所有频率上的信号/噪声关系更难以计算。

放置和高度

阵列中麦克风的声音端口之间的距离只是构建麦克风阵列时应考虑的一条路径。尽管MEMS麦克风是非常薄的器件，但在阵列设计中仍应考虑一些非零高度。例如，ADI公司MEMS麦克风振膜的声学中心位于声音端口上方0.57 mm处。除了安装麦克风的PCB厚度外，在选择麦克风之间的间距时也应考虑此距离。如果所有麦克风以相同的方式安装在具有相同声音端口长度的同一PCB上，那么这不是问题。

高级波束成形

具有不同数量麦克风的阵列和不同的配置是可能的，并且信号处理算法中的复杂程度可以远远超出简单的算法。更先进的算法可以用于语音跟踪和波束控制，即使是少量的麦克风。

这里所覆盖的阵列都是线性间隔的，但是更高级的高阶波束形成器可以用不同的间距构建在阵列中的每对麦克风之间。这种配置改变了不同麦克风之间的零和混叠频率以及信噪比，并可能导致阵列噪声更小，可用频率响应更宽。

结论

使用成熟且经济高效的CMOS技术构建具有MEMS技术的麦克风，为系统设计人员提供了广泛的优势。 CMOS技术既可以降低成本，又可以高效制造，并且可以轻松地与信号处理接口，使系统更加有效。

较小的设备可以安装在以前难以触及的区域，提供可以诊断的数据节省时间和金钱。噪声消除可用于更多应用，为新领域带来可靠的语音控制。能够在阵列中安装多个麦克风，可以开发出创新的波束成形技术，锁定声音或用户的声音，以提高系统或界面的性能。