MEMS麥克風(fēng)技術(shù)滿(mǎn)足音量市場(chǎng)的性能要求

作者 Masahito Kanaya 安森美半導體產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)員

摘要：隨著(zhù)智能設備的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)需要更高性能的麥克風(fēng)，而MEMS可以在緊湊的尺寸內麥克風(fēng)提供高性能和保真度及可靠性，適用于便攜式設備。本文介紹了MEMS麥克風(fēng)的結構和工作模式，并介紹了相關(guān)的MEMS麥克風(fēng)套件。

　　智能手機和平板電腦等設備的所有者們總是希望能夠以新的方式使用他們的設備，同時(shí)期望極高的性能。板載音頻功能是一個(gè)典型的例子。人們希望能夠記錄社會(huì )事件、音樂(lè )表現，并期待精準、逼真的播放，或享受無(wú)背景噪音的高語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量，即使在戶(hù)外或在車(chē)上。還希望在進(jìn)一步捕捉麥克風(fēng)的聲音時(shí)有好的音頻質(zhì)量。

　　這些趨勢需要更高性能的麥克風(fēng)，一些手機通過(guò)使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的麥克風(fēng)還具有噪聲消除或視頻模式下的3D聲音。此外，對用戶(hù)聲音作出反應的智能數字助理的出現正改變人們與計算機進(jìn)行交互的方式，可以推動(dòng)高性能的音頻子系統到更多的產(chǎn)品，如可穿戴和未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備。

　　因此，對微機電系統(MEMS)麥克風(fēng)的需求越來(lái)越多，MEMS可以在緊湊的尺寸內為麥克風(fēng)提供高性能和保真度及可靠性，適用于便攜式設備。根據市場(chǎng)研究公司IHS Technology預測，MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)將會(huì )從2015年的36億臺增長(cháng)到2019年超過(guò)60億臺。

1 MEMS麥克風(fēng)的結構和工作模式概述

　　MEMS麥克風(fēng)含有一個(gè)可移動(dòng)的膜片和靜態(tài)背板，采用常見(jiàn)的包括沉積和選擇性蝕刻的工藝制作在硅晶圓基板上。背板有穿孔，允許空氣流通而不引起偏離。膜片的設計是為了適應聲波引起的氣壓變化。而彎曲造成膜片相對背板移動(dòng)，產(chǎn)生一定比例的電容變化。與MEMS換能器共同封裝的一個(gè)配套IC將此電容變化轉換成一個(gè)模擬或數字格式的電信號。

　　市場(chǎng)上有模擬和數字輸出兩種MEMS麥克風(fēng)。模擬麥克風(fēng)基本上包含MEMS換能器和配套的模擬放大器集成電路(IC)，是一種用于小型手持設備的流行方案，如功能手機和入門(mén)級到中檔智能手機。

2 數字化

　　集成模擬調節信號和模數轉換器(ADC)的數字麥克風(fēng)通常是PC和高端智能手機的首選設備。數字技術(shù)利用固有的更高射頻和抗電磁干擾(EMI)，實(shí)現更佳的音頻性能，如圖1所示。此外，電路設計和電路板布局可以簡(jiǎn)化，從而在無(wú)需修改電阻和電容值情況下，更易于改變設計。

　　大多數數字麥克風(fēng)含有時(shí)鐘輸入和L/R控制的輸入。時(shí)鐘輸入用來(lái)控制Δ∑調制器，將傳感器的模擬信號轉換成數字脈沖密度調制(PDM)信號。典型的時(shí)鐘頻率范圍從1MHz至3.5MHz。麥克風(fēng)的輸出被驅動(dòng)到所選擇的時(shí)鐘沿的適當水平，然后進(jìn)入一個(gè)高阻抗狀態(tài)的時(shí)鐘周期的另一半。這令兩個(gè)數字麥克風(fēng)輸出能共享單條數據線(xiàn)(圖2)。L/R輸入確定有效數據的時(shí)鐘沿。

　　數字MEMS麥克風(fēng)具有高抗噪性和簡(jiǎn)化電路設計的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于多麥克風(fēng)陣列以產(chǎn)生回響和消除噪聲，以及波束形成，以實(shí)現定向靈敏度。為了在智能手機中實(shí)現噪聲消除，一種常見(jiàn)的方法是在遠離主語(yǔ)音麥克風(fēng)處放置一個(gè)或多個(gè)額外麥克風(fēng)，例如在外殼上邊緣或背面，以檢測來(lái)自周?chē)h(huán)境的噪聲，從語(yǔ)音麥克風(fēng)的輸出中減去，以幫助提高通話(huà)質(zhì)量。降噪麥克風(fēng)也經(jīng)常用于視頻錄制模式。

　　波束形成使用兩個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)陣列。雖然大多數麥克風(fēng)有全向靈敏度，但一些應用可得益于在一個(gè)特定的方向增加的靈敏度或其他方向降低的敏感度;例如在電話(huà)會(huì )議或行車(chē)通話(huà)的情況下提高音頻質(zhì)量和清晰度。波束形成通過(guò)應用數字算法到陣列中的麥克風(fēng)輸出，根據從不同方向到達的聲音的相位差，使這成為可能。另外，波束成形還可確定一個(gè)特定的聲音傳來(lái)的方向。

3 專(zhuān)用集成電路(ASIC)設計

　　麥克風(fēng)模塊制造商通過(guò)選擇合適的MEMS麥克風(fēng)套件區分他們的產(chǎn)品，其中結合了一對優(yōu)化的MEMS傳感器和ASIC。

　　安森美半導體可以集成由獨立的MEMS供應商制造的各種MEMS換能器。例如LC706200數字IC系列，除了集成模擬放大器和低通濾波器，還集成了前饋delta-sigma ADC，以及一個(gè)為MEMS換能器提供工作電壓電荷泵，如圖4所示。

　　安森美半導體的數字ASIC滿(mǎn)足關(guān)鍵性能標準，可以幫助當下MEMS麥克風(fēng)設計人員克服所面臨的挑戰。其中，高信噪比(SNR)是必需的，以在麥克風(fēng)用于更大的距離時(shí)支持清晰的性能，以及用于通常更清晰的音頻捕獲。特別地，自動(dòng)語(yǔ)音識別算法依賴(lài)于高信噪比，以達到良好的文字準確率?，F在需要信噪比大于64dB的ASIC，輔以由MEMS工程師實(shí)現的進(jìn)展以?xún)?yōu)化換能器的特點(diǎn)。

　　隨著(zhù)終端用戶(hù)在日益增多的各種用例下對智能手機等設備更好的效果的渴求，需要麥克風(fēng)可以在嘈雜的環(huán)境中無(wú)失真地運行，以達到高的聲壓級(SPL)。例如，支持社交用戶(hù)進(jìn)行高品質(zhì)的記錄以捕獲他們在音樂(lè )節的體驗。

4 用于未來(lái)的獨立語(yǔ)音指令的數字MEMS麥克風(fēng)

　　由于語(yǔ)音識別引擎和強大的語(yǔ)音助手，如Siri、“OK Google”和亞馬遜Echo，在物聯(lián)網(wǎng)和便攜式設備領(lǐng)域，對語(yǔ)音指令功能有高要求。目前的語(yǔ)音識別系統通常一直執行，因為它們消耗了相當大的功耗去聆聽(tīng)和識別語(yǔ)音。未來(lái)的語(yǔ)音指令功能將有望獨立工作，并在由語(yǔ)音激活時(shí)打開(kāi)。低功耗數字MEMS麥克風(fēng)技術(shù)將適用于未來(lái)獨立的語(yǔ)音觸發(fā)方案，可相對容易地被添加到現有的設計中。

　　如噪聲消除和波束形成等算法，分析來(lái)自多個(gè)麥克風(fēng)的信號，需要依靠近似匹配陣列中個(gè)別麥克風(fēng)的靈敏度，理想值在+/-1dB以?xún)?。雖然篩選或分級是一個(gè)潛在的方案，麥克風(fēng)設計人員正在尋找ASIC以提供可調增益，在MEMS制造中實(shí)現工藝相關(guān)變化的調整。

5 結論

　　人們使用電腦和智能設備的方式的變化，推動(dòng)對高性能MEMS麥克風(fēng)的需求。當前市場(chǎng)上的數字ASIC能夠最大化麥克風(fēng)開(kāi)發(fā)人員的自由，以提供同類(lèi)最佳的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足這些需求。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第6期第73頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。