MEMS麦克风介绍

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1、引言 MEMS麦克风是一种具有ECM（驻极体电容）麦克风功能的固态声音感应芯片，正在被广泛用于手机、平板电脑、笔记本电脑、智能电视、汽车语音识别、游戏机和遥控器等现代设备中。根据市调机构IHS iSuppli的市场预测，由于MEMS麦克风可靠的单片结构、优异的抗机械振动性能、紧凑的尺寸和可选数字输出，使消费电子和手机 MEMS麦克风市场在2 0 1 0至2 0 1 4年间将实现2 3 %的复合年增长率。 此外，MEMS麦克风阵列可大幅改进音质。意法半导体的MEMS麦克风尺寸紧凑，灵敏度匹配优异，频响出色，能够在麦克风阵列中实现噪声回响主动消除和声波成束功能。声波成束是一个切断声音与位置关系的音

2、频处理技术。随着手机等移动设备在吵闹和不可控制环境中的使用频率不断增加，噪声抑制和声波成束功能变得十分有用。 MEMS麦克风结构MEMS麦克风主要分为模拟放筒和数字麦克风两大类：模拟麦克风是将声音信号转化成相应电压输出；数字麦克风将声音转化成数字输出（典型输出是脉冲密度调制PDM）。 MEMS麦克风本质上就是声音变送器。变送原理是改变固定板（背板）和运动板（振膜）之间的耦合电容声音穿透声孔，推动振膜运动，调节两个传导板之间的气隙，从而引起电容变化 后室是声音共振器 通风孔排出后室内的压缩空气，以便振膜恢复原状。 图2. MEMS麦克风基本结构 PCM and PDM脉冲编码调制（英文：Puls

3、e-code modulation，缩写：PCM）是一种模拟信号的数字化方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的数字记号（通常是二进制）来量化。PCM常被用于数字电信系统上，也是电脑和红皮书中的标准形式。在数字视频中它也是标准，例如使用 ITU-R BT.6 0 1。但是PCM并不流行于诸如DVD或DVR的消费性商品上，因为它需要相当大的比特率（DVD格式虽然支持PCM，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频较匹配效率。不过，许多蓝光光盘使用PCM作音频编码。非常频繁地， PCM编码以一种串行通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易不论在已给定的系统内，或物理位置。脉

4、冲密度调制（Pulse Density Modulation），简称PDM，是一种在数字领域使用二进制数0 ,1表示模拟信号的调制方式，1表示单个脉冲，0表示没有脉冲。在PDM信号中，模拟信号的幅值使用输出脉冲对应区域的密度表示。PWM波是PDM波转换频率固定的一种特例，对于一个使用8位长表示的电压信号而言，峰值的1 /2处会高低电平各持续一半，即1 2 8个时钟周期。在PDM信号中，会在1 ,0之间每个时钟周期都切换。两种波形的平均值都是5 0 %，但是PDM波切换的更 加频繁。对于1 0 0 %和0的电平信号，两种方式的输出相同 MEMS麦克风主要参数灵敏度灵敏度是麦克风输出电信号与给定输

5、入声压之比。基准声压是1 Pa 或 9 4 dB SPL 1 kHz典型灵敏度单位: 模拟麦克风的灵敏度单位为 mV/Pa或dBV；dBV = 2 0 * Log (mV/Pa / 1 V/Pa) 数字麦克风的灵敏度单位为 %FS或 dBFS ；dBFS = 2 0 * Log (%FS / 1 FS) 指向性指向性表示与声音到达方向相关的灵敏度响应的变化 MEMS麦克风是全指向型传声器，这意味灵敏度在麦克风周围任意音源位置都不会变化指向性可以用在Cartesian轴上的灵敏度偏移与角度之比表示，也可以用空间灵敏度响应分布极坐标图表示。 信噪比 SNR信噪比是麦克风输出中给定基准信号与残余噪声

6、之比。基准信号是当声压为1 Pa 1 kHz 时麦克风输出端的标准信号。噪声信号 (残余噪声)是静音时麦克风的输出电信号。噪声信号包括MEMS单元的噪声和ASIC的噪声。噪声级通常是在消声环境中测量噪声，然后用A加权方法修改所采集的噪声。A加权滤波器与人耳频响相关 。 动态范围和声学过载点动态范围是麦克风在不失真条件下检测到的最大声音和最小声音之间的差值麦克风在不失真条件下“听到”的最大信号叫做声学过载点(AOP)。意法半导体的模拟麦克风AOP值与数字麦克风的AOP值相同，均为 1 2 0 dBSPL声压麦克风在不失真条件下“听到”的最小信号取决于信噪比(SNR)。换句话说，最小信号相当于残余

7、噪声，用dBSPL表示。 频响从量级角度描述麦克风频响:表示灵敏度在频带范围内的变化。该参数还能表示输出信号与基准值0 dB的偏差。频响测量所用基准通常就是麦克风的灵敏度 0 dB = 9 4 dBSPL 1 kHz 麦克风频响通常表示因 通风孔而导致频响低频降低和因Helmholtz 效应而导致频响高频上升。从相位角度描述麦克风频响: 表示麦克风引起的相位失真，换句话说，频响表示推动麦克风振膜的声波与麦克风输出电信号之间的延迟该参数包括振膜和ASIC引起的失真最好的频响、全指向性拾音模式、最佳的灵敏度、更低的相位旋转、优化的音质(SNR 6 0 dB)、精确的单元对单元匹配、最高的可靠性和耐

8、用性、优异的湿度、温度和防尘稳定性。 MEMS麦克风的指向性拾音模式指向性麦克风的频响通常被视为一个完美的3 D球形。直径最小的麦克风在高频时提供最佳的全指向性，因此MEMS麦克风是最佳的全指向性麦克风。使用MEMS麦克风组建麦克风阵列，可按照理想的声学模式调整频响。 应用示例一对麦克风的信号经过处理后，可调整频响在X轴上的位置 优点 MEMS麦克风特别适用于要求严格的远距离语音交互系统。紧凑的外观设计有助于研发人员将麦克风阵列嵌入自动化家庭的墙壁、写字台或具有语音功能的家电内。即便房间内有很多人，同时正在播放音乐，优异的声学特性结合先进的信号处理技术，让麦克风能够从几米外识别并采集一个人发出的语音命令。远距离语音交互功能不仅会大幅改变人机交互方式，而且还会给行动不便的老弱病残人士带来福音。除家庭应用外，远距离语音交互系统还适用于机器人、远程呈现、监视和工业自动化。 MEMS麦克风正在进军新的应用领域，例如，声控游戏、汽车语音系统、工业和安保用声音传感器、医学遥测。其独一无二的结构、性能 和尺寸，让无法想象的概念能够提早变化现实。