應用與音頻設計的MEMS麥克風技術介紹

新一代麥克風為新功能，更高質量的音頻和更低的成本開辟了機會。

使用與集成電路相同的CMOS硅技術，微機械（MEMS）器件是比傳統(tǒng)麥克風更小，更可靠，可以表面安裝。這樣可以將麥克風放置在許多不同的位置，開啟了諸如降噪功能等新功能，并允許安裝麥克風陣列以檢測和指導音頻流的方向。

Micromachining使用變化標準CMOS工藝技術在硅片中構建物理結構而不是電子結構。這些可以是麥克風中的振膜或用于加速度計和陀螺儀的運動傳感器的不同設計，并且可以使用更具成本效益的舊晶圓廠。

使用CMOS技術還可以在同一芯片上實現(xiàn)標準接口，增加集成度并降低系統(tǒng)功耗，因為芯片到芯片的連接和整體材料清單都很少。隨著可靠性的提高，這些因素促使該技術進入消費市場，特別是在移動電話中。 MEMS方法的低調和表面貼裝能力意味著麥克風可以輕松安裝在設計的任何地方，并使終端設備更薄。

這些設備在移動設備中大量使用終端，筆記本電腦和筆記本電腦以及IP語音終端，數(shù)碼相機和數(shù)碼相機。此外，它們越來越多地用于在游戲和虛擬現(xiàn)實輸入設備中提供語音控制，甚至用于工業(yè)系統(tǒng)，以及噪聲消除甚至防盜系統(tǒng)。

噪聲消除

噪聲消除是一種越來越有趣的應用，它通過MEMS麥克風和與它們并行運行的信號處理成為可能。表面貼裝MEMS麥克風可以放置在關鍵位置，以捕獲噪聲的頻率分布。然后，信號處理將輪廓反轉并使其偏移，從而提供噪聲分布的“相反”。然后通過揚聲器輸出，以消除背景噪聲并提供更清晰的輸出或更少的混淆輸入。 MEMS麥克風使這種方法更容易實現(xiàn)，并且在更廣泛的應用中更具成本效益。

一旦限制使用昂貴的耳機并降低豪華車的噪音，它現(xiàn)在被用于制造移動設備電話交談更清晰。這推動了MEMS麥克風的數(shù)量增加，降低了成本并開辟了新的應用領域，特別是在工業(yè)領域?，F(xiàn)在可以使用噪聲消除，其中清晰的輸入和輸出對于安全至關重要，包括語音控制應用。在工業(yè)設計中使用噪聲消除功能可以實現(xiàn)更易于使用的創(chuàng)新用戶界面，同時也可以幫助他們更安全。使用波束成形（見下文）可以定位用戶的語音，以提供更高的性能。

MEMS麥克風還可以幫助工業(yè)設計中的診斷應用。麥克風體積小，易于放置，可以在難以觸及的區(qū)域使用，提供有關工業(yè)系統(tǒng)健康狀況的關鍵數(shù)據(jù)。通過監(jiān)控聲音的頻率，可以提前獲取設備的潛在問題并進行預防性維護，從而節(jié)省時間和金錢，并最大限度地降低設備在沒有警告的情況下發(fā)生故障時可能發(fā)生的昂貴停機的風險。

防盜

對于防盜應用，可以通過多種方式使用MEMS麥克風。顯而易見的是，一旦一個單元被盜并且防盜系統(tǒng)被激活，就可以捕獲環(huán)境的聲音，并且與無線發(fā)射器耦合，發(fā)送到網(wǎng)站或移動電話，并且通常與位置檢測系統(tǒng)耦合。這可以是小而不顯眼的，并且可以提供關于盜竊的重要信息。在許多情況下，它也與攝像機的輸出耦合，雖然這需要更多的帶寬。

然而，MEMS麥克風的小尺寸和增加的靈敏度也允許它們用于運動傳感器在防盜系統(tǒng)中。一旦防盜系統(tǒng)被激活，任何移動都會產(chǎn)生特定頻率的噪聲，這些噪聲由麥克風拾取，通過信號處理過濾并觸發(fā)可能是警報或向移動電話或網(wǎng)頁發(fā)送消息的警報。使用MEMS麥克風陣列可提供安全算法可用于防止“誤報”觸發(fā)并使系統(tǒng)更準確的方向信息。 MEMS麥克風的較低成本和易于設計允許這樣的系統(tǒng)。 STMicroelectronics多年來一直專注于MEMS，擁有專門用于該技術的8英寸晶圓生產(chǎn)線，生產(chǎn)麥克風以及加速度計和其他MEMS傳感器。

MP34DB01是一款超緊湊，低端的電源，全向，數(shù)字MEMS麥克風，帶有電容式傳感元件和具有立體聲操作功能的IC接口。 ST的MEMS麥克風使用正在申請專利的技術，允許設計人員將麥克風膜放置在靠近封裝頂部的聲孔的位置，性能大幅提升，不會造成任何損失。

圖1：STMicroelectronics的USB評估板中的MP34DB01 MEMS麥克風。

能夠檢測聲波的傳感元件采用專業(yè)制造硅微加工工藝專用于生產(chǎn)音頻傳感器。該接口采用CMOS工藝制造，允許設計專用電路，能夠以PDM格式從外部提供數(shù)字信號。

MP34DB01的聲學過載點為120 dB SPL，信噪比為62.6 dB，靈敏度為-26 dB FS，采用底部端口表面貼裝EMI屏蔽封裝，并保證可在-30°C至+ 85°C的擴展溫度范圍內工作。它采用單電源供電，PDM單比特輸出，可選擇立體聲配置。

這符合語音識別系統(tǒng)對語音控制軟件和電子助手應用的需求。新的消費類應用，在不增加主處理器工作負載的情況下提高音頻清晰度是關鍵因素。

除了傳統(tǒng)電容式麥克風的尺寸，穩(wěn)健性和低功耗優(yōu)勢之外，MEMS麥克風還可以改進多麥克風應用中的音質。這種麥克風陣列通過MEMS設計的小外形尺寸，靈敏度匹配和頻率響應來實現(xiàn)，可實現(xiàn)有源噪聲和回聲消除，以及波束成形，以幫助隔離聲音及其位置。

與此同時，Knowles Acoustics的SPU0409HD5H基于該公司的SiSonic硅基技術。 MEMS設計允許更小的尺寸，更小的外形和安裝選項，更高的輸出容量以及消除模擬噪聲的新數(shù)字音頻選項。對于制造商而言，表面貼裝設計消除了離線子組件的生產(chǎn)成本，而麥克風也可以與專利的IntelliSonic軟件和特殊的移植設計集成，以提供精確定制的聲音。

圖2：Knowles Acoustics的SiSonic MEMS麥克風。

硅結構提供高度的制造可重復性和穩(wěn)定（可預測）的聲學性能，同時獲得專利的'自由漂浮“隔膜不受傳統(tǒng)駐極體電容式麥克風隔膜中可變機械張力引起的麥克風靈敏度變化的影響。同時，低質量和小振膜產(chǎn)生出色的振動靈敏度性能。

ADI公司將其音頻信號處理專業(yè)知識與其iMEMS技術相結合，為一系列具有信噪比的麥克風提供比率（SNR）為62 dB A加權，電源抑制比為70 dBV，集成高通濾波。這意味著設備制造商可以開發(fā)便攜式電子設備，提供更清晰，更清晰的語音質量，而不會產(chǎn)生其他具有較低信噪比的麥克風產(chǎn)生的背景噪音/嘶嘶聲。

ADMP401是一款高品質，高性能，低功耗，模擬輸出，底部端口的全向MEMS麥克風。它將MEMS麥克風元件與阻抗轉換器和輸出放大器相結合，為近場和遠場應用提供足夠的靈敏度。 ADMP401具有高SNR和扁平寬帶頻率響應，具有高清晰度的自然聲音和低電流消耗，可為便攜式應用提供長電池壽命。

圖3：ADI公司的ADMP401 MEMS麥克風。

ADI公司看到的關鍵應用之一是波束成形，其中定向波束陣列可用于檢測噪聲方向并應用改進防盜系統(tǒng)中的噪聲消除。

所有MEMS麥克風都具有全向拾音響應，這意味著它們對來自任何方向的聲音響應相同。可以在陣列中配置多個麥克風以形成方向響應或波束圖案。波束形成麥克風陣列可以設計為對來自一個或多個特定方向的聲音比來自其他方向的聲音更敏感。

麥克風匹配

麥克風光束發(fā)射器的良好性能要求該陣列的不同元件的靈敏度和頻率響應緊密匹配。不同陣列元素之間的這兩個參數(shù)的差異導致陣列的期望響應的破壞。空值可能不那么尖銳，陣列的方向性可能沒有正確定向。當MEMS麥克風用于波束成形陣列時，它們的靈敏度和頻率響應需要緊密匹配。

對SNR的影響取決于陣列配置和處理，并可能導致增加或降低不同陣列拓撲的系統(tǒng)SNR。選擇具有最高SNR規(guī)格的麥克風非常重要，以最大限度地提高整體系統(tǒng)性能。

在軸上，寬邊波束形成器的輸出類似于簡單地將兩個相同的信號相加以改善SNR。在寬邊求和陣列中，來自多個麥克風的內部或“自我”噪聲以功率項加在一起，隨著麥克風數(shù)量的增加，噪聲增加3 dB。

此案例演示隨著信號電平加倍，波束成形在提高性能方面的優(yōu)勢在于增加了6 dB。同時，噪聲總和使整體電平增加3 dB，從而使SNR提升3 dB。

麥克風差分陣列波束形成器的軸上頻率響應是頻率為麥克風間距的兩倍（通常約為4.1 kHz）的頻率為6 dB。在此頻率附近，陣列的信號輸出與其噪聲之間的差異高于每個單獨的麥克風，但所有頻率上的信號/噪聲關系更難以計算。

放置和高度

陣列中麥克風的聲音端口之間的距離只是構建麥克風陣列時應考慮的一條路徑。盡管MEMS麥克風是非常薄的器件，但在陣列設計中仍應考慮一些非零高度。例如，ADI公司MEMS麥克風振膜的聲學中心位于聲音端口上方0.57 mm處。除了安裝麥克風的PCB厚度外，在選擇麥克風之間的間距時也應考慮此距離。如果所有麥克風以相同的方式安裝在具有相同聲音端口長度的同一PCB上，那么這不是問題。

高級波束成形

具有不同數(shù)量麥克風的陣列和不同的配置是可能的，并且信號處理算法中的復雜程度可以遠遠超出簡單的算法。更先進的算法可以用于語音跟蹤和波束控制，即使是少量的麥克風。

這里所覆蓋的陣列都是線性間隔的，但是更高級的高階波束形成器可以用不同的間距構建在陣列中的每對麥克風之間。這種配置改變了不同麥克風之間的零和混疊頻率以及信噪比，并可能導致陣列噪聲更小，可用頻率響應更寬。

結論

使用成熟且經(jīng)濟高效的CMOS技術構建具有MEMS技術的麥克風，為系統(tǒng)設計人員提供了廣泛的優(yōu)勢。 CMOS技術既可以降低成本，又可以高效制造，并且可以輕松地與信號處理接口，使系統(tǒng)更加有效。

較小的設備可以安裝在以前難以觸及的區(qū)域，提供可以診斷的數(shù)據(jù)節(jié)省時間和金錢。噪聲消除可用于更多應用，為新領域帶來可靠的語音控制。能夠在陣列中安裝多個麥克風，可以開發(fā)出創(chuàng)新的波束成形技術，鎖定聲音或用戶的聲音，以提高系統(tǒng)或界面的性能。