MEMS麥克風(fēng)的基本原理，第一部分

MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)在麥克風(fēng)上的應(yīng)用帶動(dòng)了高性能小型麥克風(fēng)的發(fā)展。 MEMS 麥克風(fēng)具有高信噪比、低功耗、良好的靈敏度，并且采用非常小的封裝，與表面貼裝工藝完全兼容。 MEMS麥克風(fēng)在回流焊接后性能幾乎沒(méi)有變化，并且具有優(yōu)異的溫度特性。

MEMS 麥克風(fēng)聲學(xué)傳感器

MEMS 麥克風(fēng)使用聲學(xué)傳感器，這些傳感器是使用硅晶圓和高度自動(dòng)化工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上制造的。不同材料層沉積在硅晶圓頂部，然后蝕刻掉不需要的材料，在基礎(chǔ)晶圓的空腔上方形成可移動(dòng)薄膜和固定背板。傳感器背板是一個(gè)堅(jiān)硬的穿孔結(jié)構(gòu)，允許空氣輕松地穿過(guò)它，而薄膜是一個(gè)薄的固體結(jié)構(gòu)，可以響應(yīng)聲波引起的氣壓變化而彎曲。

聲波產(chǎn)生的氣壓變化導(dǎo)致薄膜彎曲，而當(dāng)空氣穿過(guò)其穿孔時(shí)，較厚的背板保持靜止。薄膜的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致薄膜和背板之間的電容值發(fā)生變化，該變化由 ASIC 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

MEMS 麥克風(fēng) ASIC

MEMS 麥克風(fēng)內(nèi)的 ASIC 使用電荷泵在麥克風(fēng)薄膜上放置固定電荷。然后，ASIC 測(cè)量由于膜響應(yīng)聲波的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致膜和固定背板之間的電容發(fā)生變化時(shí)引起的電壓變化。模擬 MEMS 麥克風(fēng)產(chǎn)生與瞬時(shí)氣壓水平成正比的輸出電壓。模擬麥克風(fēng)通常只有 3 個(gè)引腳：輸出、電源電壓 (VDD) 和接地。盡管模擬 MEMS 麥克風(fēng)的接口在概念上很簡(jiǎn)單，但模擬信號(hào)需要仔細(xì)設(shè)計(jì) PCB 和電纜，以避免在麥克風(fēng)輸出和接收信號(hào)的 IC 輸入之間拾取噪聲。在大多數(shù)應(yīng)用中，還需要低噪聲音頻 ADC 將模擬麥克風(fēng)的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以進(jìn)行處理和/或傳輸。

顧名思義，數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)具有可在低邏輯電平和高邏輯電平之間切換的數(shù)字輸出。大多數(shù)數(shù)字麥克風(fēng)使用脈沖密度調(diào)制 (PDM)，它會(huì)產(chǎn)生高度過(guò)采樣的單位數(shù)據(jù)流。使用脈沖密度調(diào)制的麥克風(fēng)輸出的脈沖密度與瞬時(shí)氣壓水平成正比。脈沖密度調(diào)制類(lèi)似于 D 類(lèi)放大器中使用的脈寬調(diào)制 (PWM)。不同之處在于，脈沖寬度調(diào)制使用脈沖之間的恒定時(shí)間并在脈沖寬度中對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，而脈沖密度調(diào)制使用恒定的脈沖寬度并在脈沖之間的時(shí)間中對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼。

除了模擬麥克風(fēng)上的輸出、接地和 VDD 引腳外，大多數(shù)數(shù)字麥克風(fēng)還具有用于時(shí)鐘和 L/R 控制的輸入。時(shí)鐘輸入用于控制 delta-sigma 調(diào)制器，該調(diào)制器將來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字 PDM 信號(hào)。數(shù)字麥克風(fēng)的典型時(shí)鐘頻率范圍約為 1 MHz 至 3.5 MHz。麥克風(fēng)的輸出在選定的時(shí)鐘邊沿被驅(qū)動(dòng)到適當(dāng)?shù)碾娖?，然后在時(shí)鐘周期的另一半內(nèi)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。這允許兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)輸出共享一條數(shù)據(jù)線。 L/R 輸入決定數(shù)據(jù)在哪個(gè)時(shí)鐘沿有效。

數(shù)字麥克風(fēng)輸出相對(duì)不受噪聲影響，但由于麥克風(fēng)輸出和 SoC 之間的寄生電容、電阻和電感造成的失真，信號(hào)完整性仍然是一個(gè)問(wèn)題。阻抗不匹配還會(huì)產(chǎn)生反射，從而導(dǎo)致數(shù)字麥克風(fēng)與 SoC 之間距離較長(zhǎng)的應(yīng)用中的信號(hào)失真。

盡管數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)不需要編解碼器，但在大多數(shù)情況下，脈沖密度調(diào)制輸出必須從單位 PDM 格式轉(zhuǎn)換為多位脈沖編碼調(diào)制 (PCM) 格式。許多編解碼器和 SoC 都具有帶有濾波器的 PDM 輸入，可將 PDM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 PCM 格式。微控制器還可以使用同步串行接口從數(shù)字麥克風(fēng)捕獲 PDM 數(shù)據(jù)流，并使用軟件中實(shí)現(xiàn)的濾波器將其轉(zhuǎn)換為 PCM 格式。

MEMS 麥克風(fēng)封裝

MEMS 麥克風(fēng)采用中空封裝，由帶焊盤(pán)的基板(可焊接到電路板或柔性電路)和蓋子組成，該蓋子可形成聲學(xué)傳感器和 ASIC 所在的空腔。大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)將單獨(dú)的芯片用于 MEMS 傳感器和接口 ASIC，這允許優(yōu)化 MEMS 工藝以創(chuàng)建移動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝來(lái)制造 ASIC。 ASIC 通過(guò)引線鍵合到傳感器和基板上，然后將蓋子放在它們上面并密封到基板上。

MEMS 麥克風(fēng)的封裝中需要有一個(gè)孔，以便聲音能夠到達(dá)聲學(xué)傳感器。聲音入口可以位于蓋子(頂部端口)或焊盤(pán)旁邊的底部(底部端口)。底部端口麥克風(fēng)還需要在安裝它們的電路板上有一個(gè)孔，以允許聲音到達(dá)聲音入口。選擇使用頂部端口還是底部端口麥克風(fēng)通常取決于麥克風(fēng)在產(chǎn)品中的位置和制造注意事項(xiàng)等因素。性能也可能是麥克風(fēng)端口選擇的一個(gè)主要因素，因?yàn)閭鹘y(tǒng)上頂部端口麥克風(fēng)的性能比同等底部端口麥克風(fēng)的性能較差。 然而，高性能頂部端口麥克風(fēng)(例如 ST 的 MP34DT01)的推出意味著這不再一定是正確的。

聲學(xué)傳感器的薄膜將 MEMS 麥克風(fēng)的內(nèi)部分為兩部分。聲音入口和傳感器膜之間的區(qū)域通常稱為前室，膜另一側(cè)的部分稱為后室。底部端口麥克風(fēng)中的傳感器通常直接放置在聲音入口上方，這有幾個(gè)好處。

大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)的靈敏度在較高頻率下會(huì)增加。靈敏度的增加是由聲音入口中的空氣與麥克風(fēng)前室中的空氣之間的相互作用引起的。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生亥姆霍茲共振，這與向瓶子吹氣時(shí)產(chǎn)生聲音的現(xiàn)象相同。與瓶子一樣，較小的空氣體積會(huì)產(chǎn)生較高的共振頻率，而較大的空氣體積會(huì)產(chǎn)生較低的共振頻率。 在大多數(shù)底部端口麥克風(fēng)中，麥克風(fēng)傳感器直接安裝在聲音入口上方，這導(dǎo)致前室相對(duì)較小，亥姆霍茲共振的中心頻率較高。由于亥姆霍茲共振通常位于音頻頻帶的上部，因此增加共振頻率會(huì)導(dǎo)致更平坦的頻率響應(yīng)。

將傳感器直接放置在聲音入口上方也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的后室。后室中的空氣體積較大，使得膜更容易響應(yīng)聲波而移動(dòng)，從而提高麥克風(fēng)的靈敏度并帶來(lái)更高的信噪比。大后腔還改善了麥克風(fēng)的低頻響應(yīng)。傳統(tǒng)上，頂部端口麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)與底部端口麥克風(fēng)非常相似，傳感器和接口 IC 安裝在基板上，并用中空蓋將它們包圍。傳統(tǒng)上，頂部端口和底部端口麥克風(fēng)之間的唯一真正區(qū)別是聲音入口位于麥克風(fēng)蓋中而不是位于基板中。對(duì)于這些麥克風(fēng)，將聲音入口移動(dòng)到蓋子，將以前的前室變成后室，反之亦然。

傳統(tǒng)頂端口MEMS麥克風(fēng)后腔內(nèi)的空氣體積較小，使得薄膜移動(dòng)更加困難，這會(huì)損害傳感器的靈敏度并導(dǎo)致信噪比較低。此外，進(jìn)音口與振膜之間的前腔室中較大的空氣量會(huì)降低諧振頻率，從而損害麥克風(fēng)的高頻響應(yīng)。較低的信噪比和較差的高頻和低頻頻率響應(yīng)相結(jié)合，是大多數(shù)頂部端口麥克風(fēng)的性能比同等底部端口麥克風(fēng)差的原因。

此規(guī)則的一個(gè)例外是 STMicroElectronics 的 MP34DT01 頂部端口數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)。 ST 的專(zhuān)有封裝技術(shù)使得可以將 MEMS 傳感器和接口 IC 安裝在 MP34DT01 蓋子的底部，聲音入口的正下方。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的前腔室和一個(gè)較大的后腔室，并使 MP34DT01 能夠達(dá)到與該麥克風(fēng)的底部端口版本 MP34DB01 相同的性能水平。安裝在 MP34DB01 頂部端口 MEMS 麥克風(fēng)蓋子底部的 MEMS 傳感器和 ASIC 。