MEMS麦克风的基本原理.pptx

前言微机电系统（MEMS）技术的问世和应用让麦克风变得越来越小，性能越来越高。MEMS麦克风具有诸多优点，例如，高信噪比，低功耗，高灵敏度，所用微型封装兼容贴装工艺，回流焊对MEMS麦克风的性能无任何影响，而且温度特性非常出色。?MEMS麦克风的声学传感器MEMS麦克风所用的声学传感器是利用半导体生产线制作且通过高度自动化过程封装的芯片。MEMS麦克风的制造过程是，首先，在晶圆上沉积数层不同的物质，然后蚀去无用的物质，在基础晶片上形成一个腔室，在腔室上覆盖一层能够运动的振膜和一个固定的背板。传感器背板具有优良的刚性，采用通孔结构，通风性能优异；而振膜是一个很薄的实心结构，当声波引起气压变化时，振膜将会弯曲。振膜较薄，易弯曲。当声波引起的气压变化时，振膜会随着气压变化而弯曲；背板较厚且多孔，当空气流过时，背板保持静止。当振膜运动时，振膜与背板之间的电容量将会变化。ASIC器件可将这种电容变化转换成电信号。MEMS麦克风ASIC在MEMS麦克风内，ASIC芯片利用电荷泵在麦克风振膜上放置一个固定的参考电荷。当振膜运动导致振膜与背板之间的电容量发生变化时，ASIC测量电压变化。模拟MEMS麦克风的输出电压与瞬间气压成正比。模拟麦克风通常只有三个引脚：输出、电源电压 (VDD)和地。虽然模拟MEMS麦克风的接口在原理上比较简单，但是，为避免在麦克风输出与信号接收芯片的输入之间出现拾起噪音，模拟信号要求工程师必须精心设计印刷电路板和线缆。大多数应用还需要低噪音频模数转换器，把模拟麦克风输出转换成数字格式，用于后序处理和/或传输。?顾名思义，数字MEMS麦克风的输出为数字信号，可在高低逻辑电平之间转换。大多数数字麦克风采用脉冲密度调制技术 (PDM)，生成过采样率较高的单个比特的数据流。脉冲密度调制麦克风的脉冲密度与瞬间空气压力级成正比。脉冲密度调制技术与D类功放所用的脉宽调制（PWM）技术相似，不同之处是，脉宽调制技术的脉冲间隔时间是定量，使用脉宽给信号编码，而脉冲密度调制则相反，脉宽是定量，使用脉冲间隔时间给信号编码。除输出、地和VDD引脚外，大多数数字麦克风还有时钟输入和L/R控制输入。时钟输入用于控制Δ-Σ调制器，将传感器的模拟信号转换成PDM数字信号。数字麦克风的典型时钟频率通常在1MHz至3.5MHz之间。麦克风输出信号在所选时钟边沿进入适合的逻辑状态，在另半个时钟周期进入高阻抗状态。这个两个数字麦克风的输入共用一条数据线。L/R输入确定有效数据是在哪一个时钟边沿上。数字麦克风输出相对来说具有较高的抗噪性，但是信号完整性却是一个令人们关心的问题，因为寄生电容以及麦克风输出与系统芯片之间的电感导致信号失真。阻抗失匹也会产生反射问题，若数字麦克风与系统芯片间隔较大，反射现象将会导致信号失真。虽然数字麦克风不需要编解码器，但是，脉冲密度调制输出的单比特PDM格式在大多数情况下必须转转换成多比特脉冲代码调制(PCM)格式。很多编解码器和系统芯片都有PDM输入，其内部滤波器负责将PDM数据转换成PCM格式。微控制器也使用同步串行接口捕获数字麦克风的PDM数据流，然后通过软件滤波器将其转换成PDM格式。MEMS麦克风封装MEMS麦克风采用由基板和封装盖组成的空心封装，内部组件包括声学传感器和接口ASIC。封装基板下面是焊盘，用于将麦克风焊接在电路板或挠性电路上。在大多数MEMS麦克风的内部，MEMS声学传感器和接口ASIC是两颗独立的芯片，为制作能够移动的结构，声学传感器的制造工艺经过优化改良，而ASIC芯片则采用工业标准的CMOS制造工艺。ASIC通过引线键合方法连接到传感器和基板，然后将封装盖扣在基板上并进行密封处理。为让声音能够传入声学传感器，MEMS麦克风需要在封装上开孔。声孔位置可以在封装盖上(上置声孔)或在焊盘附近(下置声孔)。下置声孔麦克风还要求在电路板上的麦克风安装位置开一个孔，让声音能够穿过电路板传入麦克风声孔。麦克风是选用上置声孔还是下置声孔，通常取决于多种因素，例如，麦克风的安装位置和厂家的考虑。性能也是麦克风选型的一个主要因素，因为上置声孔麦克风的性能通常低于下置声孔麦克风。但是，高性能上置声孔麦克风的问世，例如，意法半导体的MP34DT01，彻底颠覆了上置声孔麦克风的性能。声学传感器振膜将MEMS麦克风内部分成两部分。声孔与传感器振膜之间区域通常称为前室，振膜的另一部分称作后室(见图5)。下置声孔麦克风通常将传感器直接置于声孔上，这种设计有多个好处。?大多数MEMS麦克风的灵敏度随频率升高而提高，这是声孔的空气与麦克风前室的空气相互作用的结果。这种交互作用产生了Helmholtz谐振，这与吹瓶产生的声音的现象相同。像吹瓶子一样，空气容积越小，谐振频率越高；反之，空气容积越大，谐振频率越低。下置声孔麦克风将声学传感