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MEMS麦克风改动设备声学功能的作业原理

MEMS麦克风改变设备声学性能的工作原理-想象一下不到普通麦克风一半大小并带有集成音频信号处理功能,MEMS麦克风可以作为单芯片手机一个集成部分。新型MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘,但是第一批采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势,特别是中高端移动电话。

MEMS(微型机电体系)麦克风外形较小,与现在广泛选用的驻极体麦克风比较,具有更强的耐热、抗振和防射频搅扰功用。由于强壮的耐热功用,MEMS麦克风选用全自动外表贴装(SMT)生产工艺,而大多数驻极体麦克风则需手艺焊接。这不仅能简化生产流程,下降生产本钱,而且能够供给更高的规划自由度和体系本钱优势。

幻想一下不到一般麦克风一半巨细并带有集成音频信号处理功用,MEMS麦克风能够作为单芯片手机一个集成部分。新式MEMS麦克风的悉数潜能还有待发掘,可是第一批选用这种技能的产品现已在多种运用中体现出了许多优势,特别是中高端移动电话。

作业原理

英飞凌麦克风SMM310内含两块芯片:MEMS芯片和ASIC芯片。两颗芯片被封装在一个外表贴装器材中。MEMS芯片包含一个刚性穿孔背电极和一片弹性硅膜。MEMS芯片的用作电容,将声压转化为电容改动。ASIC芯片用于检测MEMS电容改动,并将其转化为电信号,传递给相关处理器材,如基带处理器或放大器等。ASIC 芯片是规范的IC技能。因而,这种双芯片式办法能够快速向ASIC增加额定功用。这种功用既可所以额定构件,如音频信号处理、RF屏蔽,也可所以任何能够集成在规范IC上的功用。

功用特色

今日咱们运用的大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风(ECM),这种技能现已有几十年的前史。ECM 的作业原理是运用具有永久电荷阻隔的聚合资料振荡膜。

与ECM的聚合资料振荡膜比较,MEMS麦克风在不同温度下的功用都十分安稳,不会受温度、振荡、湿度和时刻的影响。由于耐热性强,MEMS麦克风可接受260℃的高温回流焊,而功用不会有任何改动。由于拼装前后敏感性改动很小,这乃至能够节约制作过程中的音频调试本钱。

MEMS麦克风需求 ASIC供给外部偏置,而ECM则不需求这种偏置。有用的偏置将使整个操作温度范围内都可保持安稳的声学和电气参数。MEMS芯片的外部偏置还支撑规划具有不同敏感性的麦克风。

传统ECM的尺度一般比MEMS麦克风大,而且不能进行SMT操作。SMT回流焊简化了制作流程,能够省掉一个制作过程,而该过程现在一般以手艺方法进行。

IC与驻极体电容器麦克风内信号处理电子元件并无不同,但这是一种现已投入运用的技能。在驻极体中,有必要增加IC,而在MEMS麦克风中,只需在IC上增加额定的专用功用即可。与ECM比较,这种额定功用的长处是使麦克风具有很高的电源按捺比。也便是说,假如电源电压有动摇,则会被有用按捺。

SMM310的智能ASIC规划使得其功耗十分低,只要规范ECM的三分之一(在1.5-3.3 V的电源电压下,SMM310的电流耗费为~70 µA,如表1所示)。

MEMS麦克风改动设备声学功用的作业原理

表1:新式SMM310硅基MEMS麦克风的特性参数。

另一个长处是集成在IC上的宽带射频按捺功用,这一点不仅对移动电话这样的射频运用特别重要,而且对一切与移动电话作业原理相似的设备(如助听器)都十分重要。SMM310有一个金属盖,能够对射频进行屏蔽。

MEMS麦克风的小型振荡膜还有另一个长处,直径不到1mm的小型薄膜其分量相同轻盈,这意味着,与ECM比较,MEMS麦克风会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB 噪声发生更低的振荡耦合。

广泛的运用领域

考虑到硅基麦克风的许多优势和体系本钱,硅基麦克风对那些对尺度、耐热性、振荡和RF都有很高要求的中高端运用,将具有很大的吸引力,例如图1所示的运用实例。

MEMS麦克风改动设备声学功用的作业原理

图1:带有额定30pF 电容进行共模按捺的移动电话运用示例

尺度不仅指麦克风器材的占位空间,还指那些能够经过ASIC更高程度集成可省去的分立器材的尺度。具有上述要求的运用包含:中高端移动电话、数码相机、PDA或游戏控制台等。

A/D 转化器能够很容易地集成在ASIC中。经过给麦克风装备数字接口,音频信号就不会由于RF 噪声的搅扰而失真。这对移动电话和笔记本电脑而言都是一个优势。

关于笔记本电脑而言,硅基麦克风还有另一个长处。在VoIP日渐流行的情况下,笔记本电脑能够当作电话来运用。选用麦克风阵列软件,能够对笔记本电脑邻近或整个空间(如会议室)的方向敏感性进行调理。但要核算来自一个阵列中不同麦克风的推迟信号的声响方向,则需求具有十分安稳功用的麦克风,如MEMS麦克风。

除消费运用和数据处理运用领域外,MEMS麦克风对工业、医疗及汽车行业也有很大的吸引力,从机器监督、助听器到车载免提设备等运用都有或许用到MEMS麦克风。中高端运用的体系本钱大致相同。可是,MEMS麦克风还有很大的开展潜力。现在或许便是了解这种全新技能的大好时机,以便将来从中获益。

技能展望

英飞凌推出新产品系列—硅基MEMS麦克风,该产品系列中的第一款产品是SMM310—SMT模拟输出单端麦克风。半导体制作商具有制作该产品系列的中心才能。首先是MEMS规划和制作才能,其次是ASIC(专用集成电路)规划和制作才能,最终是大批量低本钱封装才能。迄今为止,声频公司一向占有着简直整个 MEMS麦克风商场。声频公司有必要依靠半导体代工厂供给相关技能并与他们共享赢利。现在,像英飞凌这样的半导体公司的进入意味着该商场具有了新的挑选,而且下降了元件购买者的危险。

尺度的进一步缩小将会遭到制作过程中规范自动化贴装东西的约束,由于音频端口不能选用真空东西进行操作。其实约束首要来自MEMS尺度自身,MEMS的尺度不到当今一般麦克风的一半。

ASIC 中将集成更多功用,A/D 转化和数字输出是第一步。此外,还可运用规范构件,如风噪信号过滤构件。专用接口和信号预处理也将成为一个很大的运用领域。RF 屏蔽也将得到进一步改善。

在音频方面,也会有许多改动。SMM310针对人声进行了优化,可是在20Hz-20kHz的频率范围内,还有较高的声学敏感性。很难猜测何时会呈现带有集成式麦克风并能记载美好立体声的单片式录像电话,可是,毫无疑问咱们正在朝着这个方向开展。

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