MEMS 麦克风技术简介 — 模拟麦克风与数字麦克风

MEMS硅麦克风广泛应用于手机、助听器、智能扬声器、计算机和车辆等各个领域。了解它们的工作原理、用途和可用内容的基础知识。

微机电系统（MEMS）使用最初为集成电路（IC）开发的技术在硅上蚀刻和制造。微加工喷墨喷嘴可能是第一个，然而，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、价格实惠且随时可用。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）。图片［修改］由意法半导体提供

大多数麦克风都是消费级的，具有良好的音质，尽管不等于用于专业音频的麦克风。

MEMS麦克风如何工作？模拟与数字麦克风输出

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较低的电平。许多人使用电容式传感器技术，这将在下一节中介绍。它们包括用于将电容变化转换为电信号的附加电路。

微机电系统麦克风模拟输出

模拟麦克风将增强信号直接发送到输出端。有两种输出方式 - 单端和差分。差分系统有两个彼此异相 180 度的输出。模拟麦克风具有三个或四个引脚：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供电。这会在输出端产生直流失调，应由电容去耦，如图2所示。

图2. 模拟输出麦克风。

电源电压通常在 1.8 至 3.5 V 之间，典型直流偏移为 0.8 至 1.5 V。

MEMS麦克风数字输出

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更改为数字信号。大多数使用Δ-Σ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。当音频信号高时，高脉冲（蓝色）具有更高的密度。图片由 MyNewMicrophone.com 提供

脉冲密度（即逻辑上较高的脉冲百分比）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。脉冲流可以通过简单地通过低通滤波器来解码，尽管通常使用微处理器程序或音频编解码器（编码器/解码器）。

大多数数字输出MEMS麦克风有五个引脚，如图4所示：

权力

公共（接地）

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？如果并接高（左），则在时钟变为高电平后发送 A/D 输出。如果为低电平，则数据遵循低时钟转换。这样，左右输出可以通过同一数据线发送。

一些麦克风使用I2S（IC间声音）标准，该标准最初由飞利浦半导体（现为恩智浦半导体）创建。与PDM一样，它具有时钟和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进行解码。此外，它不能被低通滤波器解码。

微机电系统麦克风技术

大多数MEMS麦克风使用电容式传感器技术。硅结构中的薄镀膜随着声音振动，产生不同的电容。电容器的第二块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，一些制造商已经使用压电传感元件制造了麦克风。压电元件的运动产生音频电压。这些公司声称比电容式具有一些优势，但对于大多数应用，您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。

微机电系统麦克风封装

麦克风元件及其电路不在同一硅芯片上。它们的制造技术差异太大，无法将它们一起制造。相反，麦克风和单独的ASIC（专用集成电路）组合在同一封装中，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。图片由 CUI Devices 提供

MEMS麦克风采用类似IC的封装，用于表面贴装组装。当然，它们需要端口来允许声音进入。如前面的图 1 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开一个孔，如图6所示。

图6. 带有底部声音端口的MEMS麦克风封装。图片由意法半导体提供

MEMS麦克风的PCB安装

标准回流焊接技术可用于将MEMS麦克风连接到PCB。但是，当然，您必须小心，以防止污染物进入声音端口。在清洁过程中，您可能需要用胶带或密封端口。

如果使用真空拾音器，请勿让它们接触声音端口。此外，请勿将空气吹入端口或将麦克风暴露在真空中。最后，在设计中，将电源至公共旁路电容放置在尽可能靠近麦克风的位置。0.1 uF陶瓷电容通常是电源去耦的不错选择。

微机电系统麦克风一般规格

大多数MEMS麦克风都有类似的规格。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 声压级，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 表示以 1 V 基准电压源为基准的分贝。-38 dBV相当于12.6 mV。

dB FS 表示以 A/D 转换器满量程为基准的分贝。

声压级 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 声压级会导致听力损伤。因此，94 dB SPL是一个很高的值。

在正常的语音电平下，模拟麦克风的输出将是低毫伏，而数字将远低于满量程。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动态余地。

频率响应：低端通常为 80 或 100 Hz，最高可达 10 或 15 kHz。适合语音，适用于大多数音频。有些下降到 20 Hz。在高端，响应在较高频率下增加，在30至40 kHz附近出现明显的超声共振峰值。在此之上，响应下降。

工作温度：大多数为-40至+85°C。

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，请检查您计划使用的麦克风的规格。

MEMS技术在包括麦克风在内的传感器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，还包括支持具有模拟或数字输出的电路。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，十几家制造商都可以广泛使用。您可以在您最喜欢的电子分销商处找到它们。有些低至一美元左右，数量很少。对于业余爱好者来说，也有分组讨论板。