MEMS硅麥克風(fēng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、助聽器、智能揚(yáng)聲器、計(jì)算機(jī)和車輛等各個(gè)領(lǐng)域。了解它們的工作原理、用途和可用內(nèi)容的基礎(chǔ)知識(shí)。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）使用最初為集成電路（IC）開發(fā)的技術(shù)在硅上蝕刻和制造。微加工噴墨噴嘴可能是第一個(gè)，然而，自 1990 年代以來(lái)，MEMS 技術(shù)創(chuàng)造了各種傳感器和其他機(jī)電設(shè)備，包括麥克風(fēng)。

MEMS麥克風(fēng)體積小、價(jià)格實(shí)惠且隨時(shí)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(hào)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［修改］由意法半導(dǎo)體提供

大多數(shù)麥克風(fēng)都是消費(fèi)級(jí)的，具有良好的音質(zhì)，盡管不等于用于專業(yè)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(hào)開始，并使用前置放大器（有時(shí)稱為緩沖器）將音頻提升到可用但仍然較低的電平。許多人使用電容式傳感器技術(shù)，這將在下一節(jié)中介紹。它們包括用于將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的附加電路。

微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)模擬輸出

模擬麥克風(fēng)將增強(qiáng)信號(hào)直接發(fā)送到輸出端。有兩種輸出方式 - 單端和差分。差分系統(tǒng)有兩個(gè)彼此異相 180 度的輸出。模擬麥克風(fēng)具有三個(gè)或四個(gè)引腳：電源、公共（接地）和一個(gè)或兩個(gè)輸出，具體取決于輸出是單端還是差分。

電源始終由單個(gè)正電源供電。這會(huì)在輸出端產(chǎn)生直流失調(diào)，應(yīng)由電容去耦，如圖2所示。

圖2. 模擬輸出麥克風(fēng)。

電源電壓通常在 1.8 至 3.5 V 之間，典型直流偏移為 0.8 至 1.5 V。

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(hào)更改為數(shù)字信號(hào)。大多數(shù)使用Δ-Σ轉(zhuǎn)換來(lái)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(hào)高時(shí)，高脈沖（藍(lán)色）具有更高的密度。圖片由 MyNewMicrophone.com 提供

脈沖密度（即邏輯上較高的脈沖百分比）與電壓成正比。這不是你通常認(rèn)為的數(shù)字，因?yàn)闆](méi)有創(chuàng)建數(shù)字詞，只是脈沖。脈沖流可以通過(guò)簡(jiǎn)單地通過(guò)低通濾波器來(lái)解碼，盡管通常使用微處理器程序或音頻編解碼器（編碼器/解碼器）。

大多數(shù)數(shù)字輸出MEMS麥克風(fēng)有五個(gè)引腳，如圖4所示：

權(quán)力

公共（接地）

輸出

時(shí)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？如果并接高（左），則在時(shí)鐘變?yōu)楦唠娖胶蟀l(fā)送 A/D 輸出。如果為低電平，則數(shù)據(jù)遵循低時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。這樣，左右輸出可以通過(guò)同一數(shù)據(jù)線發(fā)送。

一些麥克風(fēng)使用I2S（IC間聲音）標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)最初由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)為恩智浦半導(dǎo)體）創(chuàng)建。與PDM一樣，它具有時(shí)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(guò)微處理器軟件或I2S CODEC進(jìn)行解碼。此外，它不能被低通濾波器解碼。

微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)技術(shù)

大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)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(dòng)，產(chǎn)生不同的電容。電容器的第二塊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(hào)的電信號(hào)。

最近，一些制造商已經(jīng)使用壓電傳感元件制造了麥克風(fēng)。壓電元件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生音頻電壓。這些公司聲稱比電容式具有一些優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，您使用哪種技術(shù)并不重要。

您可能還會(huì)看到術(shù)語(yǔ)“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。

微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)封裝

麥克風(fēng)元件及其電路不在同一硅芯片上。它們的制造技術(shù)差異太大，無(wú)法將它們一起制造。相反，麥克風(fēng)和單獨(dú)的ASIC（專用集成電路）組合在同一封裝中，通過(guò)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，它們需要端口來(lái)允許聲音進(jìn)入。如前面的圖 1 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開一個(gè)孔，如圖6所示。

圖6. 帶有底部聲音端口的MEMS麥克風(fēng)封裝。圖片由意法半導(dǎo)體提供

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，當(dāng)然，您必須小心，以防止污染物進(jìn)入聲音端口。在清潔過(guò)程中，您可能需要用膠帶或密封端口。

如果使用真空拾音器，請(qǐng)勿讓它們接觸聲音端口。此外，請(qǐng)勿將空氣吹入端口或?qū)Ⅺ溈孙L(fēng)暴露在真空中。最后，在設(shè)計(jì)中，將電源至公共旁路電容放置在盡可能靠近麥克風(fēng)的位置。0.1 uF陶瓷電容通常是電源去耦的不錯(cuò)選擇。

微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)一般規(guī)格

大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)都有類似的規(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 聲壓級(jí)，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(gè)規(guī)范的含義。

dBV 表示以 1 V 基準(zhǔn)電壓源為基準(zhǔn)的分貝。-38 dBV相當(dāng)于12.6 mV。

dB FS 表示以 A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程為基準(zhǔn)的分貝。

聲壓級(jí) 表示 聲壓級(jí)。根據(jù)一篇在線文章，3英尺外的正常對(duì)話約為40至60 dB SPL。耳朵處的 85 dB 聲壓級(jí)會(huì)導(dǎo)致聽力損傷。因此，94 dB SPL是一個(gè)很高的值。

在正常的語(yǔ)音電平下，模擬麥克風(fēng)的輸出將是低毫伏，而數(shù)字將遠(yuǎn)低于滿量程。在某種程度上，這是一件好事，因?yàn)樗鼮轫懥恋穆曇袅粝铝撕艽蟮膭?dòng)態(tài)余地。

頻率響應(yīng)：低端通常為 80 或 100 Hz，最高可達(dá) 10 或 15 kHz。適合語(yǔ)音，適用于大多數(shù)音頻。有些下降到 20 Hz。在高端，響應(yīng)在較高頻率下增加，在30至40 kHz附近出現(xiàn)明顯的超聲共振峰值。在此之上，響應(yīng)下降。

工作溫度：大多數(shù)為-40至+85°C。

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，請(qǐng)檢查您計(jì)劃使用的麥克風(fēng)的規(guī)格。

MEMS技術(shù)在包括麥克風(fēng)在內(nèi)的傳感器方面取得了驚人的進(jìn)步。MEMS麥克風(fēng)通常設(shè)計(jì)用于電路板安裝，不僅包括麥克風(fēng)，還包括支持具有模擬或數(shù)字輸出的電路。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。

MEMS麥克風(fēng)價(jià)格低廉，十幾家制造商都可以廣泛使用。您可以在您最喜歡的電子分銷商處找到它們。有些低至一美元左右，數(shù)量很少。對(duì)于業(yè)余愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，也有分組討論板。