麥克風(fēng)工作原理是什么？

一切都在不知不覺之間悄悄地改變著。就連麥克風(fēng)這樣一個(gè)不起眼的小零件，也正在悄無(wú)聲息地演化著。近幾年來(lái)，在手機(jī)等高端應(yīng)用中，傳統(tǒng)的駐極體電容麥克風(fēng)正在被MEMS器件所取代。

麥克風(fēng)簡(jiǎn)史

麥克風(fēng) ，學(xué)名為傳聲器，由Microphone翻譯而來(lái)。傳聲器是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件，也稱作話筒或微音器。

麥克風(fēng)的歷史可以追溯到19世紀(jì)末，貝爾(Alexander Graham Bell)等科學(xué)家致力于尋找更好的拾取聲音的辦法，以用于改進(jìn)當(dāng)時(shí)的最新發(fā)明——電話。期間他們發(fā)明了液體麥克風(fēng)和碳粒麥克風(fēng)，這些麥克風(fēng)效果并不理想，只是勉強(qiáng)能夠使用。

二十世紀(jì)，麥克風(fēng)由最初通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換聲電發(fā)展為電感、電容式轉(zhuǎn)換，大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，這其中包括鋁帶、動(dòng)圈等麥克風(fēng)，以及當(dāng)前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。

駐極體麥克風(fēng)

目前市場(chǎng)上銷售的麥克風(fēng)主要有動(dòng)圈式、電容式、駐極體和最近新興的硅微傳聲器，此外還有液體傳聲器和激光傳聲器等。動(dòng)圈傳聲器音質(zhì)較好，但體積龐大。駐極體傳聲器體積小巧，成本低廉，在電話、手機(jī)等設(shè)備中廣泛使用。 基于CMOS MEMS(Micro Electro Meganetic System，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的硅麥克風(fēng)體積更小，特別適合高性價(jià)比的應(yīng)用。

噪音，麥克風(fēng)的難題

作為音頻信號(hào)輸入的麥克風(fēng)，一直以來(lái)受噪聲問(wèn)題的困擾。

麥克風(fēng)的噪音源來(lái)自若干個(gè)方面：偏置電壓波動(dòng)引起的電子噪聲，F(xiàn)ET噪聲，板級(jí)噪聲，振膜的聲音自噪聲，以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁(EM)場(chǎng)和射頻(RF)場(chǎng)。詳述如下：

(1)當(dāng)安置有ECM(Electret Condenser Microphone，駐極體電容麥克風(fēng))的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(shí)(譬如手機(jī))，功率控制產(chǎn)生的RF信號(hào)的音頻成份可通過(guò)麥克風(fēng)解調(diào)，并轉(zhuǎn)換為可聞?dòng)谝纛l路徑的聲音信號(hào)。

(2)ECM信號(hào)放大電路中由FET的高阻抗柵極來(lái)調(diào)校發(fā)射功率放大器的門限(在音頻頻段內(nèi)出現(xiàn))并放大信號(hào)。這種信號(hào)一旦進(jìn)入音頻頻段，是很難消除的。

(3)電源電壓波動(dòng)也是音頻系統(tǒng)中最常見的噪音源。作為低敏感度的ECM，它的輸出是一個(gè)10mVrms數(shù)量級(jí)的很小的模擬信號(hào)。由于ECM沒有任何電源抑制能力，很小的電源電壓波動(dòng)就將導(dǎo)致間歇性噪音。

(4)ECM還帶來(lái)了機(jī)械設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。因?yàn)镋CM不僅能夠檢測(cè)聲音信號(hào)，還能檢測(cè)出機(jī)械振動(dòng)，并最終把振動(dòng)轉(zhuǎn)換為低頻聲音信號(hào)，這樣，當(dāng)ECM被置于振動(dòng)環(huán)境(比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上)時(shí)，振動(dòng)將成為音頻系統(tǒng)的主要噪音源。

MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)勢(shì)

MEMS麥克風(fēng)是利用硅薄膜來(lái)檢測(cè)聲壓的，MEMS麥克風(fēng)能夠在芯片上集成一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成具有數(shù)字輸出的麥克風(fēng)。由于大多數(shù)便攜式應(yīng)用最終都會(huì)把麥克風(fēng)的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)處理，因此系統(tǒng)架構(gòu)可以設(shè)計(jì)成完全數(shù)字式的。這樣一來(lái)，就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪音的模擬信號(hào)，并簡(jiǎn)化了總體設(shè)計(jì)。

貼片式封裝的MEMS麥克風(fēng)

與傳統(tǒng)的ECM麥克風(fēng)相比，MEMS麥克風(fēng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、制作工藝具有很好的重復(fù)性和一致性，從而保證每顆硅麥克風(fēng)有相同的優(yōu)秀表現(xiàn)。

2、聲壓電平高，且芯片內(nèi)部一般有預(yù)放大電路，因此靈敏度很高。

3、頻響范圍寬：100～10KHZ

4、失真小：THD<1%(at 1KHZ,500mV p-p)(Total Harmonic Distortion，總諧波失真)

5、振動(dòng)敏感度低：<1dB

6、優(yōu)異的抗EMI和RFI特性

7、電流消耗低：150µA

8、耐潮濕環(huán)境和溫度沖擊。

9、耐高溫，能夠使用波峰焊。

10、能夠經(jīng)受振動(dòng)、跌落、撞擊等機(jī)械力和溫度沖擊。

MEMS麥克風(fēng)具有半導(dǎo)體產(chǎn)品的種種優(yōu)點(diǎn)，解決了ECM所無(wú)法解決的許多困難。其中最為重要的一個(gè)特性是，MEMS麥克風(fēng)容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，從而削除了傳輸噪音。MEMS麥克風(fēng)用途廣泛，目前主要應(yīng)用在手機(jī)中，數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA、耳機(jī)和助聽器等領(lǐng)域也正在從ECM向MEMS過(guò)渡。

MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)Information Network的研究報(bào)告，MEMS麥克風(fēng)在2005年時(shí)只能取得5%的整體市場(chǎng)率，但到2008年，預(yù)計(jì)在30億支麥克風(fēng)市場(chǎng)中MEMS產(chǎn)品占據(jù)15%，復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)240%。因此，世界上很多國(guó)家和地區(qū)都投入到新一輪競(jìng)爭(zhēng)之中，美國(guó)Knowles Acoustics(樓氏聲學(xué))的MEMS麥克風(fēng)自2003年面世以來(lái)，已經(jīng)銷售了數(shù)億片，占據(jù)了全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)95%的份額。

樓氏聲學(xué)公司出品的SiSonic貼片式MEMS麥克風(fēng)

我國(guó)臺(tái)灣也有意急起直追，包括臺(tái)灣“工研院電子所”、美律、亞太優(yōu)勢(shì)、探微、日月光、菱生、矽品、天瀚等20余家揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和其它電聲器件廠商，共同成立了“微電聲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，以整合上、中、下游廠商，建立從電聲器件設(shè)計(jì)、器件制作/代工、器件封裝至系統(tǒng)模塊的完整產(chǎn)業(yè)鏈。