MEMS麦克风的基本原理，第一部分

MEMS(微机电系统)技术在麦克风上的应用带动了高性能小型麦克风的发展。 MEMS 麦克风具有高信噪比、低功耗、良好的灵敏度，并且采用非常小的封装，与表面贴装工艺完全兼容。 MEMS麦克风在回流焊接后性能几乎没有变化，并且具有优异的温度特性。

MEMS 麦克风声学传感器

MEMS 麦克风使用声学传感器，这些传感器是使用硅晶圆和高度自动化工艺在半导体生产线上制造的。不同材料层沉积在硅晶圆顶部，然后蚀刻掉不需要的材料，在基础晶圆的空腔上方形成可移动薄膜和固定背板。传感器背板是一个坚硬的穿孔结构，允许空气轻松地穿过它，而薄膜是一个薄的固体结构，可以响应声波引起的气压变化而弯曲。

声波产生的气压变化导致薄膜弯曲，而当空气穿过其穿孔时，较厚的背板保持静止。薄膜的移动会导致薄膜和背板之间的电容值发生变化，该变化由 ASIC 转换为电信号。

MEMS 麦克风 ASIC

MEMS 麦克风内的 ASIC 使用电荷泵在麦克风薄膜上放置固定电荷。然后，ASIC 测量由于膜响应声波的运动而导致膜和固定背板之间的电容发生变化时引起的电压变化。模拟 MEMS 麦克风产生与瞬时气压水平成正比的输出电压。模拟麦克风通常只有 3 个引脚：输出、电源电压 (VDD) 和接地。尽管模拟 MEMS 麦克风的接口在概念上很简单，但模拟信号需要仔细设计 PCB 和电缆，以避免在麦克风输出和接收信号的 IC 输入之间拾取噪声。在大多数应用中，还需要低噪声音频 ADC 将模拟麦克风的输出转换为数字格式以进行处理和/或传输。

顾名思义，数字 MEMS 麦克风具有可在低逻辑电平和高逻辑电平之间切换的数字输出。大多数数字麦克风使用脉冲密度调制 (PDM)，它会产生高度过采样的单位数据流。使用脉冲密度调制的麦克风输出的脉冲密度与瞬时气压水平成正比。脉冲密度调制类似于 D 类放大器中使用的脉宽调制 (PWM)。不同之处在于，脉冲宽度调制使用脉冲之间的恒定时间并在脉冲宽度中对信号进行编码，而脉冲密度调制使用恒定的脉冲宽度并在脉冲之间的时间中对信号进行编码。

除了模拟麦克风上的输出、接地和 VDD 引脚外，大多数数字麦克风还具有用于时钟和 L/R 控制的输入。时钟输入用于控制 delta-sigma 调制器，该调制器将来自传感器的模拟信号转换为数字 PDM 信号。数字麦克风的典型时钟频率范围约为 1 MHz 至 3.5 MHz。麦克风的输出在选定的时钟边沿被驱动到适当的电平，然后在时钟周期的另一半内进入高阻抗状态。这允许两个数字麦克风输出共享一条数据线。 L/R 输入决定数据在哪个时钟沿有效。

数字麦克风输出相对不受噪声影响，但由于麦克风输出和 SoC 之间的寄生电容、电阻和电感造成的失真，信号完整性仍然是一个问题。阻抗不匹配还会产生反射，从而导致数字麦克风与 SoC 之间距离较长的应用中的信号失真。

尽管数字 MEMS 麦克风不需要编解码器，但在大多数情况下，脉冲密度调制输出必须从单位 PDM 格式转换为多位脉冲编码调制 (PCM) 格式。许多编解码器和 SoC 都具有带有滤波器的 PDM 输入，可将 PDM 数据转换为 PCM 格式。微控制器还可以使用同步串行接口从数字麦克风捕获 PDM 数据流，并使用软件中实现的滤波器将其转换为 PCM 格式。

MEMS 麦克风封装

MEMS 麦克风采用中空封装，由带焊盘的基板(可焊接到电路板或柔性电路)和盖子组成，该盖子可形成声学传感器和 ASIC 所在的空腔。大多数 MEMS 麦克风将单独的芯片用于 MEMS 传感器和接口 ASIC，这允许优化 MEMS 工艺以创建移动结构，同时使用标准 CMOS 工艺来制造 ASIC。 ASIC 通过引线键合到传感器和基板上，然后将盖子放在它们上面并密封到基板上。

MEMS 麦克风的封装中需要有一个孔，以便声音能够到达声学传感器。声音入口可以位于盖子(顶部端口)或焊盘旁边的底部(底部端口)。底部端口麦克风还需要在安装它们的电路板上有一个孔，以允许声音到达声音入口。选择使用顶部端口还是底部端口麦克风通常取决于麦克风在产品中的位置和制造注意事项等因素。性能也可能是麦克风端口选择的一个主要因素，因为传统上顶部端口麦克风的性能比同等底部端口麦克风的性能较差。 然而，高性能顶部端口麦克风(例如 ST 的 MP34DT01)的推出意味着这不再一定是正确的。

声学传感器的薄膜将 MEMS 麦克风的内部分为两部分。声音入口和传感器膜之间的区域通常称为前室，膜另一侧的部分称为后室。底部端口麦克风中的传感器通常直接放置在声音入口上方，这有几个好处。

大多数 MEMS 麦克风的灵敏度在较高频率下会增加。灵敏度的增加是由声音入口中的空气与麦克风前室中的空气之间的相互作用引起的。这种相互作用会产生亥姆霍兹共振，这与向瓶子吹气时产生声音的现象相同。与瓶子一样，较小的空气体积会产生较高的共振频率，而较大的空气体积会产生较低的共振频率。 在大多数底部端口麦克风中，麦克风传感器直接安装在声音入口上方，这导致前室相对较小，亥姆霍兹共振的中心频率较高。由于亥姆霍兹共振通常位于音频频带的上部，因此增加共振频率会导致更平坦的频率响应。

将传感器直接放置在声音入口上方也会产生相对较大的后室。后室中的空气体积较大，使得膜更容易响应声波而移动，从而提高麦克风的灵敏度并带来更高的信噪比。大后腔还改善了麦克风的低频响应。传统上，顶部端口麦克风的结构与底部端口麦克风非常相似，传感器和接口 IC 安装在基板上，并用中空盖将它们包围。传统上，顶部端口和底部端口麦克风之间的唯一真正区别是声音入口位于麦克风盖中而不是位于基板中。对于这些麦克风，将声音入口移动到盖子，将以前的前室变成后室，反之亦然。

传统顶端口MEMS麦克风后腔内的空气体积较小，使得薄膜移动更加困难，这会损害传感器的灵敏度并导致信噪比较低。此外，进音口与振膜之间的前腔室中较大的空气量会降低谐振频率，从而损害麦克风的高频响应。较低的信噪比和较差的高频和低频频率响应相结合，是大多数顶部端口麦克风的性能比同等底部端口麦克风差的原因。

此规则的一个例外是 STMicroElectronics 的 MP34DT01 顶部端口数字 MEMS 麦克风。 ST 的专有封装技术使得可以将 MEMS 传感器和接口 IC 安装在 MP34DT01 盖子的底部，声音入口的正下方。这会产生一个较小的前腔室和一个较大的后腔室，并使 MP34DT01 能够达到与该麦克风的底部端口版本 MP34DB01 相同的性能水平。安装在 MP34DB01 顶部端口 MEMS 麦克风盖子底部的 MEMS 传感器和 ASIC 。