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MEMS 麦克风技术简介 — 模拟麦克风与数字麦克风

海阔天空的专栏 来源:Harry Trietley 作者:Harry Trietley 2023-01-27 10:51 次阅读

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)使用最初为集成威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。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。

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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威廉希尔官方网站 。

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。

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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。

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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

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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威廉希尔官方网站 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

麦克风元件及其威廉希尔官方网站 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(专用集成威廉希尔官方网站 )组合在同一封装中,通过引线键合连接,如图5所示。

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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,则必须在其下方的威廉希尔官方网站 板上开一个孔,如图6所示。

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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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。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。

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