解讀MEMS麥克風(fēng)技術(shù)與設(shè)計(jì)

何為MEMS麥克風(fēng)？

MEMS（微型機(jī)電系統(tǒng)）麥克風(fēng)是提供高保真聲感的微型器件，體積小，可緊密集成于電子產(chǎn)品中，如智能手機(jī)、智能揚(yáng)聲器以及耳機(jī)等電子消費(fèi)品?，F(xiàn)在，MEMS麥克風(fēng)不僅能夠記錄普通的環(huán)境聲音，還具備立體聲、主動(dòng)降噪、指向性（聚束）、語(yǔ)音識(shí)別等功能。增加設(shè)備的麥克風(fēng)數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)這些音頻功能，例如最新智能手機(jī)中的MEMS麥克風(fēng)可多達(dá)6個(gè)。出色的性能使MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用范圍廣，因而產(chǎn)生了大量的市場(chǎng)需求。

什么是電容式MEMS麥克風(fēng)？其工作原理是什么？

所有麥克風(fēng)（傳統(tǒng)麥克風(fēng)和MEMS麥克風(fēng)）都通過(guò)柔性膜片感應(yīng)聲波。在聲波壓力下，膜片會(huì)發(fā)生位移。現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分MEMS麥克風(fēng)都使用電容技術(shù)來(lái)探測(cè)聲音。電容式MEMS麥克風(fēng)的工作原理是測(cè)量柔性膜片和固定背板之間的電容。聲波帶來(lái)的氣壓變化會(huì)導(dǎo)致膜片發(fā)生位移?？諝饪纱┻^(guò)背板上的小孔，因此背板的位置不會(huì)發(fā)生改變。在膜片移動(dòng)的過(guò)程中，膜片與固定背板之間距離會(huì)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致兩者之間電容值的改變，這種電信號(hào)的變化可以被記錄和分析。

圖1：不同類(lèi)型的電容式MEMS麥克風(fēng)

電容式MEMS麥克風(fēng)存在不同的類(lèi)型，如：

—?單一背板麥克風(fēng)

—?雙層背板麥克風(fēng)，背板分置膜片兩側(cè)

—?雙層膜片麥克風(fēng)的背板封裝在兩層膜片之間，膜之間可以是真空的。

MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)

MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)人員需要研究并優(yōu)化頻率響應(yīng)、靈敏度、信噪比（SNR）、總諧波失真和等效輸入噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)。信噪比是一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，不同的電容式MEMS麥克風(fēng)通過(guò)增加信號(hào)（雙層背板和雙層膜片）或降低噪聲（在兩層膜片之間進(jìn)行真空密封）來(lái)提高信噪比SNR。

對(duì)電容式MEMS麥克風(fēng)及其性能特征的設(shè)計(jì)、建模和研究可以在MEMS+^?（CoventorMP^? MEMS設(shè)計(jì)平臺(tái)的組成部分）中進(jìn)行。MEMS+提供不同MEMS結(jié)構(gòu)的非線性和多物理參數(shù)模型，這些模型可以組成完整的MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)。此外，還可以將MEMS+麥克風(fēng)集成到Cadence Virtuoso^?電路仿真軟件中，這將使我們可以通過(guò)特定的IC偏置條件模擬MEMS麥克風(fēng)及其ASIC。

圖2：雙層背板MEMS麥克風(fēng)的MEMS+模型示例

未來(lái)的MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)

如今人工智能時(shí)代下，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了基于創(chuàng)新的自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)的MEMS設(shè)計(jì)方案。例如，慕尼黑工業(yè)大學(xué)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化學(xué)院的小組曾研究并演示了基于MEMS+的MEMS麥克風(fēng)包括其讀出電路自動(dòng)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。