MEMS麥克風(fēng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)

前言

以高性能和小尺寸為特色的MEMS麥克風(fēng)特別適用于平板電腦、筆記本電腦、智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品。不過(guò)，這些產(chǎn)品的麥克風(fēng)聲孔通常隱藏在產(chǎn)品內(nèi)部，因此，設(shè)備廠商必須在外界與麥克風(fēng)之間設(shè)計(jì)一個(gè)聲音路徑，以便將聲音信號(hào)傳送到MEMS麥克風(fēng)振膜。這條聲音路徑的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)總體性能的影響很大。

下圖是一個(gè)典型的平板電腦的麥克風(fēng)聲音路徑：

圖1–典型應(yīng)用示例

外界與麥克風(fēng)振膜之間的聲音路徑由產(chǎn)品外殼、聲學(xué)密封圈、印刷電路板和麥克風(fēng)組成，這條聲音路徑起到波導(dǎo)作用，構(gòu)建系統(tǒng)總體頻響。此外，聲音路徑材質(zhì)的聲阻抗也會(huì)影響頻響。若想準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聲學(xué)設(shè)計(jì)的性能如何，需要建立聲音路徑模型，使用COMSOL等專業(yè)級(jí)仿真工具對(duì)聲音路徑的頻響特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。然而，本文為讀者提供一些優(yōu)化麥克風(fēng)聲音路徑的基本原則。

Helmholtz諧振

狹窄的傳聲孔與空心腔室相連構(gòu)成的結(jié)構(gòu)在受到聲波激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)諧振。當(dāng)我們對(duì)著空瓶的瓶嘴上方吹氣時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種諧振現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)叫做Helmholtz諧振器，是以該現(xiàn)象的發(fā)明者Hermann von Helmholtz命名的。Helmholtz利用諧振頻率不同的諧振器識(shí)別音樂(lè)等復(fù)雜聲音內(nèi)的頻率成份。

Helmholtz諧振的中心頻率是由下面的程式確定：

其中c是空氣速度;AH是聲孔的橫截面積;LH是聲孔的長(zhǎng)度;VC是空腔的容積。該方程式假設(shè)諧振器是一個(gè)空腔和一條橫截面均等的管道相連組成的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。如果麥克風(fēng)的聲音路徑的橫截面積和材質(zhì)不同，則描述聲音路徑的聲波特性的方程式要復(fù)雜很多。因此，必須對(duì)整個(gè)聲音路徑進(jìn)行聲波特性仿真實(shí)驗(yàn)才能精確地預(yù)測(cè)聲學(xué)設(shè)計(jì)的總體性能。

在本文內(nèi)，通過(guò)改變麥克風(fēng)密封圈的厚度和內(nèi)徑、產(chǎn)品外殼聲孔直徑、印刷電路板聲孔直徑、聲音路徑彎折和路徑材質(zhì)的聲阻抗，我們對(duì)不同的聲音路徑進(jìn)行了頻響仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)先掌握這些參數(shù)變化對(duì)聲音路徑總體性能的影響程度。

麥克風(fēng)的頻響

MEMS麥克風(fēng)低頻頻響是由以下主要參數(shù)決定的：傳感器振膜前側(cè)和后側(cè)之間通風(fēng)孔的尺寸;后室的容積。而MEMS麥克風(fēng)高頻頻響則是由麥克風(fēng)前室和聲孔產(chǎn)生的Helmholtz諧振決定的。

對(duì)于大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)，當(dāng)麥克風(fēng)的靈敏度降至低頻然后再上升到高頻時(shí)，因?yàn)镠elmholtz諧振的原因，頻響曲線大體相同。但是，不同的MEMS麥克在傳感器設(shè)計(jì)、封裝尺寸和結(jié)構(gòu)方面差異很大，所以總體頻響特別是高頻頻響的差異很大。意法半導(dǎo)體的多數(shù)麥克風(fēng)將傳感器直接置于聲孔上面，以最大限度地降低前室容積，確保優(yōu)異的高頻響應(yīng)。

圖2–意法半導(dǎo)體MP34DT01上置聲孔麥克風(fēng)及其聲室的X光影像

下面的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述了意法半導(dǎo)體MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)本身的頻響，該仿真工具在聲音路徑模型的每個(gè)離散點(diǎn)上求解該方程式，在仿真結(jié)束后，將在所有有用點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)繪成圖形。

圖3–MP34DB01和MP34DT01 MEMS麥克風(fēng)的聲室

MP34DB01麥克風(fēng)仿真結(jié)果證明，頻響曲線在高頻部分非常平坦，在20 kHz時(shí)，典型靈敏度上升幅度大約+3dB，這是因?yàn)镠elmholtz諧振的中心頻率很高。該仿真結(jié)果非常接近MP34DB01的實(shí)際測(cè)量頻響。

圖4– MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)頻響仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果

密封圈厚度對(duì)頻響的影響

麥克風(fēng)密封圈是在麥克風(fēng)聲孔與產(chǎn)品外殼聲孔之間起到氣密作用。在安裝一個(gè)麥克風(fēng)密封圈后，聲孔至麥克風(fēng)前室長(zhǎng)度被延長(zhǎng)，導(dǎo)致頻響發(fā)生變化。下面的仿真實(shí)驗(yàn)是將長(zhǎng)度不同但直徑固定(400μm)的圓管置于麥克風(fēng)聲孔上，評(píng)估密封圈厚度對(duì)頻響的影響程度。

圖5– MP34DT01頻響與密封圈厚度關(guān)系

從仿真實(shí)驗(yàn)中不難看出，增加一個(gè)密封圈會(huì)破壞頻響性能。在增加密封圈(如果是下聲孔麥克風(fēng)，還要增加一個(gè)印刷電路板)后，實(shí)際聲孔長(zhǎng)度被延長(zhǎng)，導(dǎo)致諧振頻率降低，高頻部分的靈敏度提高。更厚的密封圈將會(huì)提高諧振器瓶頸長(zhǎng)度，導(dǎo)致諧振頻率降低，高頻響應(yīng)性能變差。[!--empirenews.page--]

密封圈內(nèi)徑對(duì)頻響的影響

下一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)是評(píng)估內(nèi)徑不同但厚度固定(2mm)的密封圈對(duì)頻響的影響。圖6所示是使用不同內(nèi)徑密封圈的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6– MP34DT01頻響與密封圈內(nèi)徑關(guān)系

這些仿真數(shù)據(jù)表明，增加麥克風(fēng)密封圈內(nèi)徑可提高諧振頻率，提升總體頻響性能。

聲音路徑形狀對(duì)頻響的影響

到此，仿真結(jié)果符合求解Helmholtz諧振方程式獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果。下面的仿真實(shí)驗(yàn)討論聲音路徑形狀變化對(duì)頻響的影響，這項(xiàng)預(yù)測(cè)難度很大。圖7(a)所示結(jié)構(gòu)是一個(gè)長(zhǎng)4mm、直徑600μm的簡(jiǎn)易聲音路徑，其它仿真實(shí)驗(yàn)都以這個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)。為了模擬密封圈、產(chǎn)品外殼聲孔和印刷電路板聲孔的寬度和形狀的變化，仿真實(shí)驗(yàn)增加了長(zhǎng)度、半徑和形狀不同的腔體，聲音路徑變得非常復(fù)雜。

圖7–聲音路徑形狀變化

圖8– MP34DB01在不同聲音路徑形狀時(shí)的頻響

密封圈材質(zhì)對(duì)頻響的影響

到此為止所做的全部仿真實(shí)驗(yàn)都是集中在聲音路徑形狀對(duì)頻響的影響，并在所有路徑表面應(yīng)用了聲音硬邊界條件。下面的仿真實(shí)驗(yàn)討論密封圈聲阻抗對(duì)頻響的影響。如圖9所示，本實(shí)驗(yàn)對(duì)聲孔(黃)、傳感器腔體(粉)和傳感器振膜(綠)的表面應(yīng)用適合的聲阻抗，而藍(lán)色表面的聲阻抗是變化的。某一種材質(zhì)的聲阻抗是指該材質(zhì)的密度與穿過(guò)該材質(zhì)的聲速的乘積(Z =ρ。c)。密封圈通常由橡膠或其它彈性材料制成，而典型的產(chǎn)品外殼材質(zhì)通常是塑料、鋁或鋼。

圖9–聲音路徑表面

圖10–密封圈材質(zhì)對(duì)諧振峰值振幅的影響

因?yàn)橹C振頻率是由聲音路徑的形狀決定的，雖然改變密封圈的聲阻抗不會(huì)影響諧振頻率，但是會(huì)影響諧振Q值。盡管聲音路徑保持連續(xù)諧振，但是質(zhì)地更柔軟的密封圈可減弱諧振，降低其在諧振頻率附近的影響。與采用聲音硬邊界條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，采用鐵表面材料的聲孔大幅降低了頻響振幅峰值，這表明，使用聲音硬邊界條件得出的測(cè)試結(jié)果的嚴(yán)峻性不切實(shí)際。

案例分析–分析平板電腦下聲孔麥克的整個(gè)聲音路徑

圖11所示是一個(gè)平板電腦的下聲孔麥克的聲音路徑。在這個(gè)示例中，下聲孔麥克裝于印刷電路板上，印刷電路板與產(chǎn)品外殼之間插入一個(gè)氣密性軟橡膠密封圈。

圖11–平板麥克的聲音路徑設(shè)計(jì)和聲腔3D模型

本仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)聲音路徑所有組件都設(shè)定了適合的聲學(xué)特性。圖11(b)所示是11(a)結(jié)構(gòu)的聲音路徑3D模型。本仿真實(shí)驗(yàn)所有材質(zhì)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中都較為常用：FR4印刷電路板、軟橡膠密封圈、鋁制機(jī)身。

圖12–平板麥克聲音路徑仿真結(jié)果

圖12(a)所示是諧振峰值頻率大約21.6 kHz的聲音路徑的頻響曲線，圖12(b)所示是在21.6 kHz諧振頻率下氣壓在聲音路徑內(nèi)的分布情況。在該諧振頻率下，MEMS振膜承受的氣壓最大。

結(jié)論

下面的指導(dǎo)原則有助于麥克風(fēng)聲音路徑的頻響優(yōu)化。

●聲音路徑盡量最短、最寬。將聲音路徑外部入口加寬有助于改進(jìn)頻響，而將聲音路徑的麥克風(fēng)端加寬，則會(huì)降低頻響性能。

●設(shè)法不讓聲音路徑內(nèi)存在任何空腔。假如無(wú)法避免，則盡量讓空腔遠(yuǎn)離麥克風(fēng)聲孔。

●聲音路徑彎曲似乎對(duì)頻響影響不大。

●質(zhì)地柔軟的密封圈材料可弱化諧振，提高頻響性能。