微機電系統(tǒng)或 MEMS是使用初為集成電路 (IC) 開發(fā)的技術(shù)在硅上蝕刻和制造的。微機械噴墨噴嘴可能是個，但是，自 1990 年代以來，MEMS 技術(shù)創(chuàng)造了各種傳感器和其他機電設(shè)備，包括麥克風(fēng)。
MEMS 麥克風(fēng)體積小、價格適中且隨時可用。麥克風(fēng)元件本身不到 1 毫米，通常要小得多。大多數(shù)采用表面貼裝 IC 外殼，包括帶模擬或數(shù)字輸出的放大電路。如圖 1 所示，音頻信號的輸入端口可以位于封裝 MEMS IC 的頂部或底部。
圖 1. MEMS 麥克風(fēng)的聲音端口位于頂部（左）或底部（右）。圖片 [已修改] 由STMicroelectronics提供
大多數(shù)麥克風(fēng)都是消費級的，具有良好的音質(zhì)，但不等同于用于音頻的麥克風(fēng)。
MEMS 麥克風(fēng)如何工作？模擬與數(shù)字麥克風(fēng)輸出
所有麥克風(fēng)都以模擬音頻信號開始，并使用前置放大器（有時稱為緩沖器）將音頻提升到可用但仍然很低的水平。許多使用電容式傳感器技術(shù)，這將在下一節(jié)中介紹。它們包括將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號的附加電路。
MEMS麥克風(fēng)模擬輸出
模擬麥克風(fēng)將增強信號直接發(fā)送到輸出。有兩種輸出類型——單端和差分。差分系統(tǒng)有兩個輸出，彼此相位差 180 度。模擬麥克風(fēng)有三個或四個引腳：電源、公共（接地）和一個或兩個輸出，具體取決于輸出是單端還是差分。
電源始終由單個正電源提供。這會在輸出端產(chǎn)生直流偏移，該偏移應(yīng)由電容器去耦，如圖 2 所示。
圖 2.模擬輸出麥克風(fēng)。
電源電壓通常在 1.8 和 3.5 V 之間，典型的直流偏移在 0.8 到 1.5 V 之間。
MEMS 麥克風(fēng)數(shù)字輸出
具有數(shù)字輸出的 MEMS 麥克風(fēng)執(zhí)行模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換，將放大的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。大多數(shù)使用delta-sigma 轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生 PDM（脈沖密度調(diào)制）輸出，如圖 3 所示。
圖 3.脈沖密度調(diào)制。當(dāng)音頻信號較高時，高脈沖（藍(lán)色）具有較高的密度。圖片由MyNewMicrophone.com提供
脈沖密度（即邏輯高脈沖的百分比）與電壓成正比。這不是你通常認(rèn)為的數(shù)字，因為沒有創(chuàng)建數(shù)字詞，只是脈沖。盡管通常使用微處理器程序或音頻 CODEC（編碼器/解碼器），但只需將脈沖流通過低通濾波器即可對其進(jìn)行解碼。
大多數(shù)數(shù)字輸出 MEMS 麥克風(fēng)有五個引腳，如圖 4 所示：
• 力量
• 共同點）
• 輸出
• 時鐘輸入
• L/R（左/右）選擇
圖 4.數(shù)字輸出麥克風(fēng)用于立體聲系統(tǒng)。
L/R 選擇如何工作？如果連接為高電平（左），則 A/D 輸出在時鐘變高后發(fā)送。如果低，則數(shù)據(jù)跟隨低時鐘轉(zhuǎn)換。這樣，左右輸出可以通過同一條數(shù)據(jù)線發(fā)送。
一些麥克風(fēng)使用初由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)為恩智浦半導(dǎo)體）創(chuàng)建的I2S（Inter-IC Sound）標(biāo)準(zhǔn)。與 PDM 一樣，它有一個時鐘和 L/R 選擇輸入，但輸出是數(shù)字字，而不是調(diào)制脈沖。同樣，與 PDM 一樣，它可以通過微處理器軟件或 I2S CODEC 解碼。此外，它不能被低通濾波器解碼。
MEMS麥克風(fēng)技術(shù)
大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)都使用電容式傳感器技術(shù)。硅結(jié)構(gòu)中的薄鍍膜隨著聲音振動，產(chǎn)生變化的電容。電容器的第二個極板位于硅中的固定表面上。IC 中的電荷泵為電容器產(chǎn)生高直流電壓。IC 電路將電容變化轉(zhuǎn)換為代表 MEMS 膜上音頻信號的電信號。
近，一些制造商制造了使用壓電傳感元件的麥克風(fēng)。壓電元件的運動產(chǎn)生音頻電壓。這些公司聲稱比電容有一些優(yōu)勢，但對于大多數(shù)應(yīng)用來說，使用哪種技術(shù)并不重要。
您可能還會看到術(shù)語“硅麥克風(fēng)”。這不是第三種技術(shù)，只是描述硅 MEMS 麥克風(fēng)的不同方式。
MEMS麥克風(fēng)封裝
麥克風(fēng)元件及其電路不在同一硅芯片上。他們的制造技術(shù)差異太大，無法將它們制造在一起。相反，麥克風(fēng)和單獨的 ASIC（專用集成電路）組合在同一個封裝中，通過引線鍵合連接，如圖 5 所示。
圖 5.帶有頂部聲音端口的 MEMS 麥克風(fēng)封裝。圖片由CUI Devices提供
MEMS 麥克風(fēng)采用類似 IC 的封裝，用于表面貼裝組裝。當(dāng)然，它們需要端口讓聲音進(jìn)入。如圖 1 前面所示，頂部和底部端口可用。圖 5 是頂部端口 MEMS 麥克風(fēng)的示例。如果使用帶有底部端口的麥克風(fēng)，則必須在其下方的電路板上打一個孔，如圖 6 所示。
圖 6.帶有底部聲音端口的 MEMS 麥克風(fēng)封裝。圖片由STMicroelectronics提供
MEMS 麥克風(fēng)的 PCB 安裝
標(biāo)準(zhǔn)回流焊接技術(shù)可用于將 MEMS 麥克風(fēng)連接到 PCB。但是，您當(dāng)然必須小心，不要讓污染物進(jìn)入聲音端口。在清潔過程中，您可能需要用膠帶封住或密封端口。
如果使用真空拾音器，不要讓它們接觸聲音端口。另外，請勿將空氣吹入端口或?qū)Ⅺ溈孙L(fēng)暴露在真空中。，在您的設(shè)計中，放置一個電源至公共旁路電容器，使其盡可能靠近麥克風(fēng)。0.1 uF 陶瓷電容器通常是電源去耦的不錯選擇。
MEMS 麥克風(fēng)一般規(guī)格
大多數(shù) MEMS 麥克風(fēng)具有相似的規(guī)格。以下是一些典型值。敏感性令人困惑，所以讓我們先嘗試處理它。
• 模擬輸出靈敏度（典型值）：-38 dBV，94 dB SPL，1 kHz
• 數(shù)字輸出靈敏度（典型值）：-26 dB FS，94 dB SPL，1 kHz
讓我們更詳細(xì)地了解每個規(guī)范的含義。
• dBV 表示相對于 1 V 參考的分貝數(shù)。-38 dBV 相當(dāng)于 12.6 mV。
• dB FS 表示相對于 A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程的分貝數(shù)。
SPL 表示聲壓級。3 英尺外的正常對話約為 40 至 60 dB SPL。耳朵處的 85 dB SPL 會導(dǎo)致聽力受損。因此，94 dB SPL 是一個很高的值。
在正常語音水平下，模擬麥克風(fēng)的輸出將是低毫伏，而數(shù)字麥克風(fēng)將遠(yuǎn)低于滿量程。在某種程度上，這是一件好事，因為它為響亮的聲音留下了很大的余量。
• 頻率響應(yīng)：通常從低端的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz。適合語音，非常適合大多數(shù)音頻。有些下降到 20 赫茲。在高端，響應(yīng)在較高頻率下增加，在 30 至 40 kHz 附近具有顯著的超聲共振峰值。在此之上，響應(yīng)下降。
• 工作溫度：大部分為-40至+85攝氏度。
• 電源電壓：從 1.5 或 2 V 到 3 或 3.6 V。規(guī)格各不相同。
• 尺寸：3 x 4 毫米或更小，高約 1 至 1.5 毫米。大多數(shù)使用相同的表面貼裝焊盤圖案。
與往常一樣，檢查您計劃使用的麥克風(fēng)的規(guī)格。
MEMS 技術(shù)在傳感器（包括麥克風(fēng)）方面取得了驚人的進(jìn)步。MEMS 麥克風(fēng)通常設(shè)計用于電路板安裝，不僅包括麥克風(fēng)，還包括具有模擬或數(shù)字輸出的支持電路。我們回顧了基本技術(shù)、模擬和數(shù)字輸出、物理封裝和典型規(guī)格。 |
