一文看懂MEMS麦克风技术

MEMS 硅麦克风无处不在，从手机、助听器、智能扬声器、计算机到车辆。在本文中，我们介绍它们的工作原理、用途和可用内容的基础知识。

微机电系统或 MEMS是使用最初为集成电路 (IC) 开发的技术在硅上蚀刻和制造的。微机械喷墨喷嘴可能是第一个，但是，自 1990 年代以来，MEMS 技术创造了各种传感器和其他机电设备，包括麦克风。

MEMS 麦克风体积小、价格适中且随时可用。麦克风元件本身不到 1 毫米，通常要小得多。大多数采用表面贴装 IC 外壳，包括带模拟或数字输出的放大电路。如图 1 所示，音频信号的输入端口可以位于封装 MEMS IC 的顶部或底部。 

图 1. MEMS 麦克风的声音端口位于顶部（左）或底部（右）

大多数麦克风都是消费级的，具有良好的音质，但不等同于用于专业音频的麦克风。

所有麦克风都以模拟音频信号开始，并使用前置放大器（有时称为缓冲器）将音频提升到可用但仍然很低的水平。许多使用电容式传感器技术，这将在下一节中介绍。它们包括将电容变化转换为电信号的附加电路。

模拟麦克风将增强信号直接发送到输出。有两种输出类型——单端和差分。差分系统有两个输出，彼此相位差 180 度。模拟麦克风有三个或四个引脚：电源、公共（接地）和一个或两个输出，具体取决于输出是单端还是差分。

电源始终由单个正电源提供。这会在输出端产生直流偏移，该偏移应由电容器去耦，如图 2 所示。 

图 2.模拟输出麦克风。

电源电压通常在 1.8 和 3.5 V 之间，典型的直流偏移在 0.8 到 1.5 V 之间。

具有数字输出的 MEMS 麦克风执行模数 (A/D) 转换，将放大的模拟音频信号转换为数字信号。大多数使用delta-sigma 转换来产生 PDM（脉冲密度调制）输出，如图 3 所示。 

图 3.脉冲密度调制。当音频信号较高时，高脉冲（蓝色）具有较高的密度。

图片由MyNewMicrophone.com提供

脉冲密度（即逻辑高脉冲的百分比）与电压成正比。这不是你通常认为的数字，因为没有创建数字词，只是脉冲。尽管通常使用微处理器程序或音频 CODEC（编码器/解码器），但只需将脉冲流通过低通滤波器即可对其进行解码。

大多数数字输出 MEMS 麦克风有五个引脚，如图 4 所示：

• 电源

• 共同点）

• 输出

• 时钟输入

• L/R（左/右）选择

图 4.数字输出麦克风用于立体声系统

L/R 选择如何工作？如果连接为高电平（左），则 A/D 输出在时钟变高后发送。如果低，则数据跟随低时钟转换。这样，左右输出可以通过同一条数据线发送。

一些麦克风使用最初由飞利浦半导体（现为恩智浦半导体）创建的I2S（Inter-IC Sound）标准。与 PDM 一样，它有一个时钟和 L/R 选择输入，但输出是数字字，而不是调制脉冲。同样，与 PDM 一样，它可以通过微处理器软件或 I2S CODEC 解码。此外，它不能被低通滤波器解码。 

大多数 MEMS 麦克风都使用电容式传感器技术。硅结构中的薄镀膜随着声音振动，产生变化的电容。电容器的第二个极板位于硅中的固定表面上。IC 中的电荷泵为电容器产生高直流电压。IC 电路将电容变化转换为代表 MEMS 膜上音频信号的电信号。

最近，一些制造商制造了使用压电传感元件的麦克风。压电元件的运动产生音频电压。这些公司声称比电容有一些优势，但对于大多数应用来说，使用哪种技术并不重要。

您可能还会看到术语“硅麦克风”。这不是第三种技术，只是描述硅 MEMS 麦克风的不同方式。

麦克风元件及其电路不在同一硅芯片上。他们的制造技术差异太大，无法将它们制造在一起。相反，麦克风和单独的 ASIC（专用集成电路）组合在同一个封装中，通过引线键合连接，如图 5 所示。

图 5.带有顶部声音端口的 MEMS 麦克风封装。

MEMS 麦克风采用类似 IC 的封装，用于表面贴装组装。当然，它们需要端口让声音进入。如图 1 前面所示，顶部和底部端口可用。图 5 是顶部端口 MEMS 麦克风的示例。如果使用带有底部端口的麦克风，则必须在其下方的电路板上打一个孔，如图 6 所示。

图 6.带有底部声音端口的 MEMS 麦克风封装。

标准回流焊接技术可用于将 MEMS 麦克风连接到 PCB。但是，您当然必须小心，不要让污染物进入声音端口。在清洁过程中，您可能需要用胶带封住或密封端口。 

如果使用真空拾音器，不要让它们接触声音端口。另外，请勿将空气吹入端口或将麦克风暴露在真空中。最后，在您的设计中，放置一个电源至公共旁路电容器，使其尽可能靠近麦克风。0.1 uF 陶瓷电容器通常是电源去耦的不错选择。

大多数 MEMS 麦克风具有相似的规格。以下是一些典型值。敏感性令人困惑，所以让我们先尝试处理它。

• 模拟输出灵敏度（典型值）：-38 dBV，94 dB SPL，1 kHz

• 数字输出灵敏度（典型值）：-26 dB FS，94 dB SPL，1 kHz

让我们更详细地了解每个规范的含义。

• dBV 表示相对于 1 V 参考的分贝数。-38 dBV 相当于 12.6 mV。 

• dB FS 表示相对于 A/D 转换器满量程的分贝数。 

• SPL 表示声压级。 根据一篇在线文章，3 英尺外的正常对话约为 40 至 60 dB SPL。耳朵处的 85 dB SPL 会导致听力受损。因此，94 dB SPL 是一个很高的值。

在正常语音水平下，模拟麦克风的输出将是低毫伏，而数字麦克风将远低于满量程。在某种程度上，这是一件好事，因为它为响亮的声音留下了很大的余量。

• 频率响应：通常从低端的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz。适合语音，非常适合大多数音频。有些下降到 20 赫兹。在高端，响应在较高频率下增加，在 30 至 40 kHz 附近具有显着的超声共振峰值。在此之上，响应下降。

• 工作温度：大部分为-40至+85摄氏度。

• 电源电压：从 1.5 或 2 V 到 3 或 3.6 V。规格各不相同。

• 尺寸：3 x 4 毫米或更小，高约 1 至 1.5 毫米。大多数使用相同的表面贴装焊盘图案。

与往常一样，检查您计划使用的麦克风的规格。

MEMS 技术在传感器（包括麦克风）方面取得了惊人的进步。MEMS 麦克风通常设计用于电路板安装，不仅包括麦克风，还包括具有模拟或数字输出的支持电路。我们回顾了基本技术、模拟和数字输出、物理封装和典型规格。

MEMS 麦克风价格低廉，可从十多家制造商处广泛购买。您可以在您最喜欢的电子经销商处找到它们。有些小批量低至一美元左右。对于业余爱好者，还有分线板。