MEMS麦克风技术和解析：一文读懂什么是硅麦？

       麦克风想必大家并不陌生。从日常通信、娱乐体验，自动驾驶和智能家居等高科技应用中，还有我们最熟悉的专业领域的声音录制和制作，麦克风都发挥着不可或缺的作用。

       我们一只都在了解的是较传统的麦克风，但已经有不少年了，MEMS硅麦克风得到了迅猛发展，是目前应用最多的麦克风，它结合现代技术，尤其是微机电系统（MEMS）的发展，功能日益强大。 MEMS麦克风适用于所有音频应用，其特点是小尺寸、高音质、可靠性和经济性。

       MEMS麦克风可以说是已经无处不在，它们的“微小”存在让我们的设备能够“听到”并响应周围的声音，极大地丰富了所有人的音频体验。虽然目前专业领域的应用还比较少，但我们认为MEMS多麦克阵列拾音将是未来麦克风发展趋势之一，并已经被专业拾音开始应用，今天就借二条森海塞尔投资MEMS麦克风先驱的机会向朋友们介绍一下。

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       MEMS麦克风技术是什么？

       MEMS，（微机电系统 micro electro mechanical systems）麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，由硅结构材料进行物理拾音，又通过“硅电路”处理，所以又称“硅麦克风”。

       从拾音器件来分类，大多数 MEMS 麦克风都可以被归类为电容麦克风，使用电容式传感器技术。

       这几年，一些制造商制造了使用压电传感元件的麦克风，压电元件的运动产生音频电压。

       02

       MEMS 麦克风如何工作？模拟与数字麦克风输出

       在MEMS麦克风中，硅结构中的薄镀膜随着声音振动，直连产生变化的电容，电容器的第二个极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。

       所有麦克风的初始信号当然都是模拟音频，这些微弱的信号需要通过前置放大器进行增幅，以提升其至可用但仍较低的电平，然后通过集成的专门的电路，将变化的电信号转换为模拟或者数字信号。

       MEMS麦克风模拟输出 …

       MEMS Microphone Analog Output

       模拟麦克风将增幅后的信号直接传送至输出端。输出类型分为单端和差分两种，其中差分系统具有两个输出，它们之间的相位差为180度。根据输出是单端还是差分，模拟麦克风通常设有三或四个引脚：电源引脚、公共接地引脚，以及一个或两个输出引脚。

       值得注意的是，电源始终由单一的正电源提供。这会导致在输出端产生一个直流偏移。为了消除这一偏移，应当使用电容器进行去耦，如下所示。

           模拟输出麦克风

       大多数麦克风都是消费级的，具有良好的音质，但与用于专业音频的麦克风还是有不小差距。

       MEMS麦克风数字输出 …

       MEMS Microphone Digital Output

       配备数字输出的MEMS麦克风会进行模数（A/D）转换，即将经过放大的模拟音频信号转换成数字信号。这些麦克风大多采用delta-sigma转换技术，生成的是脉冲密度调制（PDM）输出，具体过程下图所示。

       脉冲密度调制。当音频信号较高时，高脉冲（蓝色）具有较高的密度

       脉冲密度（即逻辑高脉冲的百分比）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。尽管通常使用微处理器程序或音频 CODEC（编码器/解码器），但只需将脉冲流通过低通滤波器即可对其进行解码。

       大多数数字输出 MEMS 麦克风有五个引脚，如下图所示：

       电源

       共同点

       输出

       时钟输入

       L/R（左/右）选择

              数字输出麦克风用于立体声系统

       L/R 选择机制的工作原理是，当连接设置为高电平（左）时，模数转换器（A/D）的输出会在时钟信号上升沿后发送。若设置为低电平，则数据会在时钟信号下降沿时传输。通过这种方式，左右声道的输出可以共用同一条数据线进行发送。

       MEMS麦克风封装

       MEMS Microphone Packaging 麦克风元件及其电路不在同一硅芯片上。他们的制造技术差异太大，无法将它们制造在一起。相反，麦克风和单独的 ASIC（专用集成电路）组合在同一个封装中，通过引线键合连接，如下图所示。        带有顶部声音端口的 MEMS 麦克风封装

       MEMS 麦克风采用类似 IC 的封装，用于表面贴装组装。当然，它们需要端口让声音进入。如前面所示，顶部和底部端口可用。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打一个孔，如下图所示。       带有底部声音端口的 MEMS 麦克风封装

       MEMS 麦克风的 PCB 安装

       PCB Mounting of MEMS Microphones

       标准回流焊接技术可用于将 MEMS 麦克风连接到 PCB。但是需要小心不要让污染物进入声音端口。在清洁过程中，可能需要用胶带封住或密封端口。

       MEMS 麦克风一般规格

       MEMS Microphone General Specifications 大多数 MEMS 麦克风具有相似的规格。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 SPL，1 kHz

       数字输出灵敏度（典型值）：-26 dB FS，94 dB SPL，1 kHz

       在正常语音电平下，模拟麦克风的输出将是低毫伏，而数字麦克风将远低于满量程。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余量。

       频率响应：通常从低品的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz，适合语音，非常适合大多数音频，现在很多新品都达到 20 Hz。在高频，响应在较高频率下增加，在 30 至 40 kHz 附近具有显着的超声共振峰值。在此之上，响应下降。

       工作温度：大部分为-40至+85摄氏度。

       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。 MEMS麦克风是MEMS传感器和MEMS执行器里的一个分支应用，它们是人类科技发展的一个里程碑，已成为众多科技消费应用产品的首选。

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