一文看懂MEMS麦克风技术

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智能语音助理成为当红炸子鸡，作为相关应用不可或缺的声音感测器，麦克风的市场规模也将出现明显爆发，其中又以MEMS麦克风受惠最大。至于驻极体麦克风(ECM)，虽然具有高讯噪比(SNR)的优势，但因为匹配工作相对繁琐，对于需要采用阵列架构的智能语音助理应用来说，并非最理想的选择。

研究机构Yole预估，在智能语音助理、车用等应用需求爆发的加持下，MEMS麦克风的出货量将稳定成长，到2022年时，年出货量可望超过80亿颗；ECM麦克风出货量则缓慢萎缩，到2022年时，出货量约仅在30亿颗左右。如此庞大的市场，我们有必要重视一下这个产品的技术了。

MEMS麦克风的结构和工作模式概述

MEMS麦克风含一个可移动的膜片和静态背板，矽晶圆基板上采用常见的沉积和选择性蚀刻的工艺制作。背板有穿孔，允许空气流通而不引起偏离。膜片的设计是为了适应声波引起的气压变化。弯曲会造成膜片相对背板移动，产生一定比例的电容变化。与MEMS换能器共同封装的一个配套IC将此电容变化转换成一个模拟或数字格式的电讯号。

市场上有模拟或数字输出的MEMS麦克风。模拟麦克风基本上包含MEMS换能器和配套的模拟放大器集成电路(IC)，是一种用于小型手持装置的热门方案，像是功能手机与入门级到中阶的智能型手机。

数字化

整合模拟调节讯号和模拟数字转换器（ADC）的数字麦克风通常是PC或高阶智能型手机的首选装置。数字技术利用固有的更高射频和抗电磁干扰（EMI）实现更佳的音讯性能，如图一所示。此外，电路设计和电路板布局可以简化，更易于更动设计，无需修改电阻和电容值。

图一: 数字化改进抗噪性

大多的数字麦克风还有时脉和一个L / R控制的输入。时脉输入用来控制Δ?调变器，将感测器的模拟讯号转换成数字脉冲密度调变（PDM）讯号。典型的时脉频率范围从1MHz至3.5 MHz。麦克风的输出被驱动到所选择的时脉边缘的适当水准，接着进入一个高阻抗状态的时脉周期的另一半。这使两个数字麦克风输出能共用单条数据线（图二）。L / R输入确定有效数据的时脉边缘。

图二: 数字麦克风可减少传输线数量

数字MEMS麦克风具有高抗噪性和简化电路设计的优点，适用于多麦克风阵列以消除回音和杂讯，以及波束形成以实现定向灵敏度。为让智能型手机能消除杂讯，一种常见方法是在远离主语音麦克风之处放置一个或多个额外麦克风，例如在外壳边缘或背面，检测来自周围环境的杂讯，再从语音麦克风的输出中减去，能提高通话品质。降噪麦克风也经常用于影音录制模式。

波束形成还使用到两个或多个麦克风阵列。虽然大多数麦克风有全向灵敏度，但一些应用可得益于一个特定方向所增加的灵敏度或在其他方向降低灵敏度，例如在电话会议中或行车通话时提高音讯品质和清晰度。根据从不同方向传来的声音相位差，波束形成可利用数字演算法到阵列的麦克风输出，而且还能判定特定声音传来的方向。

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