MEMS麥克風(fēng)介紹分析

1、引言引言MEMS麥克風(fēng)是一種具有ECM（駐極體電容）麥克風(fēng)功能的固態(tài)聲音感應(yīng)芯片，正在被廣泛用于手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、智能電視、汽車語(yǔ)音識(shí)別、游戲機(jī)和遙控器等現(xiàn)代設(shè)備中。根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS iSuppli的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，由于MEMS麥克風(fēng)可靠的單片結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的抗機(jī)械振動(dòng)性能、緊湊的尺寸和可選數(shù)字輸出，使消費(fèi)電子和手機(jī) MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)在2010至2014年間將實(shí)現(xiàn)23%的復(fù)合年增長(zhǎng)率。 此外，MEMS麥克風(fēng)陣列可大幅改進(jìn)音質(zhì)。意法半導(dǎo)體的MEMS麥克風(fēng)尺寸緊湊，靈敏度匹配優(yōu)異，頻響出色，能夠在麥克風(fēng)陣列中實(shí)現(xiàn)噪聲回響主動(dòng)消除和聲波成束功能。聲波成束是一個(gè)切斷聲音與位置關(guān)系的音頻處理技術(shù)。隨

2、著手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備在吵鬧和不可控制環(huán)境中的使用頻率不斷增加，噪聲抑制和聲波成束功能變得十分有用。MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)MEMS麥克風(fēng)主要分為模擬放筒和數(shù)字麥克風(fēng)兩大類：模擬麥克風(fēng)是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)電壓輸出；數(shù)字麥克風(fēng)將聲音轉(zhuǎn)化成數(shù)字輸出（典型輸出是脈沖密度脈沖密度調(diào)制調(diào)制PDM）。 MEMS麥克風(fēng)本質(zhì)上就是聲音變送器。變送原理是改變固定板（背板）和運(yùn)動(dòng)板（振膜）之間的耦合電容聲音穿透聲孔，推動(dòng)振膜運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)兩個(gè)傳導(dǎo)板之間的氣隙，從而引起電容變化 后室是聲音共振器 通風(fēng)孔排出后室內(nèi)的壓縮空氣，以便振膜恢復(fù)原狀。圖2. MEMS麥克風(fēng)基本結(jié)構(gòu)PCM and PDM脈沖編碼調(diào)制（英文：Pul

3、se-code modulation，縮寫(xiě)：PCM）是一種模擬信號(hào)的數(shù)字化方法。PCM將信號(hào)的強(qiáng)度依照同樣的間距分成數(shù)段，然后用獨(dú)特的數(shù)字記號(hào)（通常是二進(jìn)制）來(lái)量化。PCM常被用于數(shù)字電信系統(tǒng)上，也是電腦和紅皮書(shū)中的標(biāo)準(zhǔn)形式。在數(shù)字視頻中它也是標(biāo)準(zhǔn)，例如使用 ITU-R BT.601。但是PCM并不流行于諸如DVD或DVR的消費(fèi)性商品上，因?yàn)樗枰喈?dāng)大的比特率（DVD格式雖然支持PCM，不過(guò)很少使用）；與之相較，壓縮過(guò)的音頻較匹配效率。不過(guò)，許多藍(lán)光光盤(pán)使用PCM作音頻編碼。非常頻繁地，PCM編碼以一種串行通信的形式，使數(shù)字傳訊由一點(diǎn)至下一點(diǎn)變得更容易不論在已給定的系統(tǒng)內(nèi)，或物理位置。脈沖密

4、度調(diào)制脈沖密度調(diào)制（Pulse Density Modulation），簡(jiǎn)稱PDM，是一種在數(shù)字領(lǐng)域使用二進(jìn)制數(shù)0,1表示模擬信號(hào)的調(diào)制方式，1表示單個(gè)脈沖，0表示沒(méi)有脈沖。在PDM信號(hào)中，模擬信號(hào)的幅值使用輸出脈沖對(duì)應(yīng)區(qū)域的密度表示。PWM波是PDM波轉(zhuǎn)換頻率固定的一種特例，對(duì)于一個(gè)使用8位長(zhǎng)表示的電壓信號(hào)而言，峰值的1/2處會(huì)高低電平各持續(xù)一半，即128個(gè)時(shí)鐘周期。在PDM信號(hào)中，會(huì)在1,0之間每個(gè)時(shí)鐘周期都切換。兩種波形的平均值都是50%，但是PDM波切換的更加頻繁。對(duì)于100%和0的電平信號(hào)，兩種方式的輸出相同MEMS麥克風(fēng)主要參數(shù)麥克風(fēng)主要參數(shù) 靈敏度 靈敏度是麥克風(fēng)輸出電信號(hào)與給定

5、輸入聲壓之比?；鶞?zhǔn)聲壓是1Pa 或 94dB SPL 1kHz 典型靈敏度單位: 模擬麥克風(fēng)的靈敏度單位為 mV/Pa或dBV；dBV = 20 * Log (mV/Pa / 1V/Pa) 數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度單位為 %FS或 dBFS ；dBFS = 20 * Log (%FS / 1FS)指向性 指向性表示與聲音到達(dá)方向相關(guān)的靈敏度響應(yīng)的變化 MEMS麥克風(fēng)是全指向型傳聲器，這意味靈敏度在麥克風(fēng)周圍任意音源位置都不會(huì)變化 指向性可以用在Cartesian軸上的靈敏度偏移與角度之比表示，也可以用空間靈敏度響應(yīng)分布極坐標(biāo)圖表示。信噪比 SNR 信噪比是麥克風(fēng)輸出中給定基準(zhǔn)信號(hào)與殘余噪聲之比。 基

6、準(zhǔn)信號(hào)是當(dāng)聲壓為1Pa 1kHz 時(shí)麥克風(fēng)輸出端的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 噪聲信號(hào) (殘余噪聲)是靜音時(shí)麥克風(fēng)的輸出電信號(hào)。噪聲信號(hào)包括MEMS單元的噪聲和ASIC的噪聲。 噪聲級(jí)通常是在消聲環(huán)境中測(cè)量噪聲，然后用A加權(quán)方法修改所采集的噪聲。A加權(quán)濾波器與人耳頻響相關(guān) 。 動(dòng)態(tài)范圍和聲學(xué)過(guò)載點(diǎn) 動(dòng)態(tài)范圍是麥克風(fēng)在不失真條件下檢測(cè)到的最大聲音和最小聲音之間的差值 麥克風(fēng)在不失真條件下不失真條件下“聽(tīng)到聽(tīng)到”的最大信號(hào)叫做聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)的最大信號(hào)叫做聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)(AOP)。意法半導(dǎo)體的模擬麥克風(fēng)AOP值與數(shù)字麥克風(fēng)的AOP值相同，均為 120dBSPL聲壓 麥克風(fēng)在不失真條件下“聽(tīng)到”的最小信號(hào)取決于信噪比(SNR

7、)。換句話說(shuō)，最小信號(hào)相當(dāng)于殘余噪聲最小信號(hào)相當(dāng)于殘余噪聲，用dBSPL表示。頻響從量級(jí)角度描述麥克風(fēng)頻響: 表示靈敏度在頻帶范圍內(nèi)的變化。該參數(shù)還能表示輸出信號(hào)與基準(zhǔn)值0dB的偏差。 頻響測(cè)量所用基準(zhǔn)通常就是麥克風(fēng)的靈敏度 0dB = 94dBSPL 1kHz 麥克風(fēng)頻響通常表示因 通通風(fēng)孔而導(dǎo)致頻響低頻降低風(fēng)孔而導(dǎo)致頻響低頻降低和因因Helmholtz 效應(yīng)而導(dǎo)致頻響高頻上升效應(yīng)而導(dǎo)致頻響高頻上升。從相位角度描述麥克風(fēng)頻響: 表示麥克風(fēng)引起的相位失真，換句話說(shuō)，頻響表示推動(dòng)麥克風(fēng)振膜的聲頻響表示推動(dòng)麥克風(fēng)振膜的聲波與麥克風(fēng)輸出電信號(hào)之間的延遲波與麥克風(fēng)輸出電信號(hào)之間的延遲 該參數(shù)包括振膜和

8、ASIC引起的失真最好的頻響、全指向性拾音模式、最佳的靈敏度、更低的相位旋轉(zhuǎn)、優(yōu)化的音質(zhì)(SNR 60dB)、精確的單元對(duì)單元匹配、最高的可靠性和耐用性、優(yōu)異的濕度、溫度和防塵穩(wěn)定性。MEMS麥克風(fēng)的指向性拾音模式麥克風(fēng)的指向性拾音模式指向性麥克風(fēng)的頻響通常被視為一個(gè)完美的3D球形。直徑最小的麥克風(fēng)在高頻時(shí)提供最佳的全指向性，因此MEMS麥克風(fēng)是最佳的全指向性麥克風(fēng)。使用MEMS麥克風(fēng)組建麥克風(fēng)陣列，可按照理想的聲學(xué)模式調(diào)整頻響。應(yīng)用示應(yīng)用示例例一對(duì)麥克風(fēng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，可調(diào)整頻響在X軸上的位置優(yōu)點(diǎn)MEMS麥克風(fēng)特別適用于要求嚴(yán)格的遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互系統(tǒng)。緊湊的外觀設(shè)計(jì)有助于研發(fā)人員將麥克風(fēng)陣列嵌入自動(dòng)化家庭的墻壁、寫(xiě)字臺(tái)或具有語(yǔ)音功能的家電內(nèi)。即便房間內(nèi)有很多人，同時(shí)正在播放音樂(lè)，優(yōu)異的聲學(xué)特性結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，讓麥克風(fēng)能夠從幾米外識(shí)別并采集一個(gè)人發(fā)出的語(yǔ)音命令。遠(yuǎn)距離語(yǔ)音交互功能不僅會(huì)大幅改變?nèi)藱C(jī)交互方式，而且還會(huì)給行動(dòng)不便