以高功能和小尺度为特征的MEMS麦克风特别适用于平板电脑、笔记本电脑、智能手机等消费电子产品。不过,这些产品的麦克风声孔一般躲藏在产品内部,因而,设备厂商有必要在外界与麦克风之间规划一个声响途径,以便将声响信号传送到MEMS麦克风振膜。这条声响途径的规划对体系整体功能的影响很大。
下图是一个典型的平板电脑的麦克风声响途径:
图1–典型运用示例
外界与麦克风振膜之间的声响途径由产品外壳、声学密封圈、印刷电路板和麦克风组成,这条声响途径起到波导效果,构建体系整体频响。此外,声响途径原料的声阻抗也会影响频响。若想精确猜测声学规划的功能怎么,需求树立声响途径模型,运用COMSOL等专业级仿真东西对声响途径的频响特性进行仿真试验。可是,本文为读者供给一些优化麦克风声响途径的基本原则。
Helmholtz谐振
狭隘的传声孔与空心腔室相连构成的结构在遭到声波鼓励时会发生声学谐振。当咱们对着空瓶的瓶嘴上方吹气时,就会发生这种谐振现象。这种结构叫做Helmholtz谐振器,是以该现象的发明者Hermann von Helmholtz命名的。Helmholtz使用谐振频率不同的谐振器辨认音乐等杂乱声响内的频率成份。
Helmholtz谐振的中心频率是由下面的程式确认:
其间c是空气速度;AH是声孔的横截面积;LH是声孔的长度;VC是空腔的容积。该方程式假定谐振器是一个空腔和一条横截面平等的管道相连组成的简略结构。假如麦克风的声响途径的横截面积和原料不同,则描绘声响途径的声波特性的方程式要杂乱许多。因而,有必要对整个声响途径进行声波特性仿真试验才干精确地猜测声学规划的整体功能。
在本文内,经过改动麦克风密封圈的厚度和内径、产品外壳声孔直径、印刷电路板声孔直径、声响途径弯折和途径原料的声阻抗,咱们对不同的声响途径进行了频响仿真试验。试验成果让规划人员可以预先把握这些参数改变对声响途径整体功能的影响程度。
麦克风的频响
MEMS麦克风低频频响是由以下主要参数决议的:传感器振膜前侧和后侧之间通风孔的尺度;后室的容积。而MEMS麦克风高频频响则是由麦克风前室和声孔发生的Helmholtz谐振决议的。
关于大大都MEMS麦克风,当麦克风的灵敏度降至低频然后再上升到高频时,由于Helmholtz谐振的原因,频响曲线大体相同。可是,不同的MEMS麦克在传感器规划、封装尺度和结构方面差异很大,所以整体频响特别是高频频响的差异很大。意法半导体的大都麦克风将传感器直接置于声孔上面,以最大极限地下降前室容积,保证优异的高频呼应。
图2–意法半导体MP34DT01上置声孔麦克风及其声室的X光印象
下面的仿真试验成果描绘了意法半导体MP34DB01 MEMS麦克风自身的频响,该仿真东西在声响途径模型的每个离散点上求解该方程式,在仿真完毕后,将在一切有用点收集的数据绘成图形。
图3–MP34DB01和MP34DT01 MEMS麦克风的声室
MP34DB01麦克风仿真成果证明,频响曲线在高频部分十分平整,在20 kHz时,典型灵敏度上升幅度大约+3dB,这是由于Helmholtz谐振的中心频率很高。该仿真成果十分挨近MP34DB01的实践丈量频响。
图4– MP34DB01 MEMS麦克风频响仿真成果和实践丈量成果