擴大頂部收音後共振腔室 MEMS麥克風靈敏度更高

2014 年 06 月 23 日

微機電系統(MEMS)技術的問世和應用,讓麥克風變得越來越小、性能越來越高。MEMS麥克風具有諸多優勢,例如高訊噪比(SNR)、低功耗、高靈敏度;其所用的微型封裝可相容貼裝製程,且溫度特性非常出色,不會受到回流焊製程的影響。



聲學感測採用半導體製程 



MEMS麥克風所用的聲學感測器是利用半導體生產線製作,且透過高度自動化過程封裝的晶片(圖1)。MEMS麥克風的製造過程,首先是在晶圓上沉積數層不同物質,然後蝕去無用物質,在基礎晶片上形成一個腔室,接著在腔室上覆蓋一層能夠運動的振膜,和一個固定的背板;感測器背板具有優良的剛性,採用通孔結構,通風性能優異,當空氣流過時,背板保持靜止;而振膜是一個很薄的實心結構,當聲波引起氣壓變化時,振膜將會彎曲;振膜運動時,振膜與背板間的電容量將會變化。
 


圖1 MEMS麥克風感測器截面圖




數位麥克風具較高抗噪性 



在MEMS麥克風內,特定應用積體電路(ASIC)晶片利用電荷泵在麥克風振膜上放置一個固定的參考電荷,當振膜運動導致振膜與背板間的電容量發生變化時,ASIC可測量電壓變化,並將這種電容變化轉換成電訊號(圖2)。
 


圖2 典型的MEMS麥克風感測器頂視圖




類比MEMS麥克風的輸出電壓與瞬間氣壓成正比。類比麥克風通常只有三個接腳:輸出、電源電壓(VDD)和接地。雖然類比MEMS麥克風的介面在原理上比較簡單,但為避免在麥克風輸出與訊號接收晶片的輸入間出現拾起噪音,類比訊號要求工程人員必須精心設計印刷電路板和線纜;大多數應用還需要低噪音頻類比數位轉換器(ADC),把類比麥克風輸出轉換成數位格式,用於後序處理和/或傳輸。
 



顧名思義,數位MEMS麥克風的輸出為數位訊號,可在高低邏輯位準間轉換。大部分數位麥克風採用脈衝密度調變技術(PDM),生成過取樣速率較高的單個位元資料流。PDM麥克風的脈衝密度與瞬間空氣壓力級成正比,PDM技術與D類功放所用的脈寬調變(PWM)技術相似,不同之處在於PWM技術的脈衝間隔時間是定量,使用脈寬給訊號編碼,而PDM則相反,脈寬是定量,使用脈衝間隔時間給訊號編碼。
 



除輸出、接地和供電電壓(VDD)接腳外,大部分數位麥克風還有時鐘輸入和L/R控制輸入。時鐘輸入用於控制Δ-Σ調製器,將感測器的類比訊號轉換成PDM數位訊號。數位麥克風的典型時鐘頻率通常在1M?3.5MHz之間,麥克風輸出訊號在所選時鐘邊沿進入適合的邏輯狀態,在另外半個時鐘週期進入高阻抗狀態,這個兩個數位麥克風的輸入共用一條資料線,L/R輸入確定有效資料是在哪一個時鐘邊沿上。
 



數位麥克風輸出相對來說具有較高的抗噪性,但是訊號完整性卻是一項令人關心的問題,因為寄生電容以及麥克風輸出與系統晶片之間的電感導致訊號失真;此外,阻抗失匹也會產生反射問題,若數位麥克風與系統晶片間隔較大,反射現象將會導致訊號失真。
 



雖然數位麥克風不需要資料轉換器,但是PDM輸出的單位元PDM格式,在大多數情況下必須轉換成多位元脈衝代碼調製(PCM)格式。很多轉換器和系統晶片都有PDM輸入,其內部濾波器負責將PDM資料轉換成PCM格式;微控制器(MCU)也使用同步序列介面捕獲數位麥克風的PDM資料流,然後透過軟體濾波器將其轉換成PDM格式。
 



封裝開孔影響麥克風性能 



MEMS麥克風採用由基板和封裝蓋組成的空心封裝,內部元件包括聲學感測器和介面ASIC(圖3)。封裝基板下面是焊盤,用於將麥克風焊接在電路板或撓性電路上。在大多數MEMS麥克風的內部,MEMS聲學感測器和介面ASIC是兩顆獨立的晶片,為製作能夠移動的結構,聲學感測器的製程經過最佳化改良,而ASIC晶片則採用工業標準的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程。ASIC透過引線鍵合方式連接到感測器和基板,然後將封裝蓋扣在基板上並進行密封處理。
 


圖3 MEMS麥克風封裝內部




為讓聲音能傳入聲學感測器,MEMS麥克風須在封裝上開孔,聲孔位置可以在封裝蓋上(頂部收音)或在焊盤附近(底部收音)(圖4)。底部收音麥克風還要求在電路板上的麥克風安裝位置開一個孔,讓聲音能穿過電路板傳入麥克風聲孔。麥克風是選用頂部收音或底部收音,通常取決於多種因素,例如麥克風的安裝位置和廠家的考慮;性能也是麥克風選型的重要因素,因為頂部收音麥克風的性能通常低於底部收音麥克風。隨著高性能頂部收音麥克風問世,頂部收音麥克風的性能將隨之改善。
 


圖4 頂部收音(左)與底部收音(右)MEMS麥克風




聲學感測器振膜將MEMS麥克風內部分成兩部分,聲孔與感測器振膜間之區域稱為前室(Front Chamber),振膜的另一部分稱作後室(Back Chamber)。底部收音麥克風通常將感測器直接置於聲孔上,這種設計有多個好處(圖5)。
 


圖5 底部收音MEMS麥克風截面圖




MEMS麥克風的靈敏度一般隨頻率升高而提高,這是聲孔與麥克風前室兩者空氣相互作用的結果,此交互作用產生Helmholtz諧振,這與吹瓶產生聲音的現象相同,空氣容積越小,諧振頻率越高;反之,空氣容積越大,諧振頻率越低。底部收音麥克風將聲學感測器直接置於聲孔之上,此種設計導致前室變小,從而使Helmholtz諧振的中心頻率提高,因為Helmholtz諧振通常位於音效帶的高頻部分,所以提高的諧振頻率使頻響變得更加平坦。將聲學感測器直接置於聲孔上還有助於產生更大的後室,後室空氣容積變大後,聲波更容易推動振膜運動,從而提高麥克風的靈敏度和SNR,同時還能提高麥克風的低頻回應。
 



頂部收音麥克風的結構與底部收音麥克風相似,都是將聲學感測器和介面晶片安裝在基板上,採用空心的密閉封裝(圖6)。這兩種麥克風的唯一區別,在於頂部收音麥克風是將傳聲孔置於封裝蓋上,而底部收音麥克風則將傳聲孔放在基板上,因此,將傳聲孔從基板移到封裝蓋後,以前底部收音麥克風的前室變成了頂部收音麥克風的後室,而後室則變成了前室。
 


圖6 頂部收音MEMS麥克風截面圖




傳統頂部收音麥克風的後室空氣容積較小,推動振膜運動的難度增加,這會破壞聲學感測器的靈敏度,導致SNR降低;此外,在聲孔與振膜之間的前室空氣容積變大後,諧振頻率將會降低,從而影響麥克風的高頻回應。綜上所述,不論是低頻還是高頻,頂部收音麥克風的SNR和頻響兩項指標都相對較差,性能不如底部收音麥克風出色。
 



以意法半導體(ST)的MP34DT01新型頂部收音數位MEMS麥克風做說明,其封裝技術將MEMS感測器和介面晶片安裝在麥克風封裝蓋的內側,將感測器直接置於聲孔的下方(圖7、8),這種設計方法可獲得小前室和大後室,讓MP34DT01取得與底部收音麥克風MP34DB01相同的性能。
 


圖7 新型頂部收音MEMS麥克風截面圖




圖8 安裝在ST頂部收音MEMS麥克風封裝蓋內側的MEMS感測器和ASIC




MEMS麥克風性能評測參數 



帕斯卡(Pa)是壓力的線性國際單位制,表示單位面積上的壓力(1Pa=1N/m2);不過,對數單位制更適用研究聲壓位準(SPL),因為人耳動態範圍大,能夠察覺從最低20微帕(μPa)到高達20帕的聲壓。因此,麥克風的關鍵性能指標通常用分貝(dB)表示,0dB SPL等於20微帕,1Pa等於94dB SPL。下列參數通常是最重要的麥克風性能指標:
 



訊號噪音比 



SNR通常是最重要的麥克風性能指標,為麥克風的靈敏度與背景雜訊差值,通常用dB表示。現有MEMS麥克風的SNR是在56?66dB之間。
 



靈敏度 



麥克風靈敏度是指在94dB聲壓級(1Pa)條件下,使用1kHz頻率進行測量的結果,用於測量麥克風對已知聲壓級的回應能力。類比麥克風的靈敏度通常表示為相對於1伏特(V)有效值(RMS)訊號的分貝數(dBV);而數位麥克風的靈敏度通常表示為相對於麥克風全量程輸出的分貝數(dB FS)。
 



背景雜訊 



麥克風的背景雜訊又稱本底雜訊,是指在較安靜的環境內,麥克風輸出中的雜訊量。聲學感測器和介面ASIC都會向麥克風輸出訊號注入雜訊。感測器雜訊是空氣分子隨機布朗運動產生的;而ASIC的噪音源則是前置放大器;數位麥克風ASIC的噪音源是Δ-Σ調製器。測量背景雜訊應在全音頻帶內,而A加權濾波器用於更精確地測量人耳能夠聽到的雜訊級。
 



背景雜訊不總是出現在麥克風資料表內,但只要用靈敏度減去SNR即可算出背景雜訊,數值單位為dBV或dB FS。從測量靈敏度(通常是94dB SPL)的聲壓級中減去SNR,可以算出用等效輸入雜訊表示的背景雜訊,單位為dB SPL。
 



總諧波失真 



總諧波失真(THD)是測量麥克風拾音精確度的指標,通常在94?100dB SPL範圍內,表示在正常聲壓級條件下音效訊號的品質。
 



聲學超載點 



在麥克風聲壓級開始接近聲學超載點(AOP)之前,失真通常不會隨著聲壓級升高而大幅增加;但是,當達到超載點時,失真開始快速升高。麥克風聲學超載點通常是指失真達到10%時的聲壓級。
 



頻響 



MEMS麥克風頻響是在不同頻率時靈敏度的變化,通常在1kHz時設為0dB,對不同頻率下的靈敏度進行歸一化處理。大多數MEMS麥克風的靈敏度都低於100Hz,在出現Helmholtz諧振後開始上升,達到大約4k?6kHz之間,這就是許多MEMS麥克風將頻響指定在100Hz?10kHz之間的原因;不過,高性能MEMS麥克風在20Hz?20kHz全音頻帶內擁有較平坦的頻響曲線。
 



高電源雜訊抑制比 



麥克風高電源雜訊抑制比(PSR)是評價麥克風防止雜訊從電源輸入端進入輸出端的能力指標。PSR通常是在音效帶內透過類比全球行動通訊系統(GSM)蜂窩無線電,其產生分時多工存取(TDMA)雜訊的217Hz方波和/或掃描正弦波來指定。
 



麥克風品質要求日益提升 



市場對更高音效品質的期待,正推動MEMS麥克風向高水準發展。很多產品開始在兩個以上的麥克風陣列內應用數位訊號處理技術,以降低雜訊級,調整沿某一方向的靈敏度。



更高訊號噪音比 



MEMS麥克風產品性能正不斷提高。幾年前,SNR還是在55?58dB區間,如今已達到63?66dB,拾音訊號更加清晰,在同等清晰度下,麥克風的應用距離可變得更遠。自動語音辨識演算法取得良好的識別率,亦需要更高的訊號噪音比。


更高聲壓位準 



很多使用者需要聲學超載點更高的麥克風,防止在吵鬧的環境中麥克風失真。在SPL高於聲學超載點時,麥克風將會產生削波失真,導致在吵雜環境中(例如搖滾樂)無法進行錄音。
 



更小封裝 



隨著消費者對輕薄產品的需求日益提高,MEMS麥克風正在不斷縮小封裝。早期的MEMS麥克風封裝尺寸為3.76毫米(mm)×4.72毫米×1.25毫米;如今,3毫米×4毫米×1毫米,和2.95毫米×3.76毫米×1毫米是常見的封裝尺寸;更新的MEMS麥克風為2.5毫米×3.35毫米×0.98毫米,和2.65毫米×3.5毫米×0.98毫米。
 



小型化封裝的趨勢將會持續下去,但隨著封裝縮小,後室面積也會隨之縮減,對於音質提升甚至保持現有水準都會變得更難。
 



降低環境雜訊 



很多智慧型手機和平板電腦為實現錄影等功能,都開始安裝多個麥克風。降低環境雜訊是多麥克風組合的另一種常見應用,很多智慧型手機在頂部或背面裝有一支麥克風,用於偵測周圍環境雜訊,並從話筒輸出中減去環境雜訊成分,從而提高音效訊號的純淨度。以錄影為主要用途的麥克風,經常用於降低環境雜訊。
 



聲波聚束 



兩個以上的麥克風還用於執行聲波聚束功能,處理麥克風陣列的輸出訊號,提高沿某一個方向的靈敏度,同時抑制其他方向的聲音。多數麥克風提供全向輸出,即所有方向的靈敏度相同;但在多數情況下,設計人員須要將靈敏度聚焦於某一個方向,並降低其他方向的靈敏度,以提高音質清晰度。
 



聲波聚束是利用不同方向聲音的相位差,將麥克風的靈敏度聚焦於某一個方向;此外,聲波聚束還能用於確定音源方位。
 



聲波聚束特別適用於麥克風與講話人距離較遠的應用場合,例如居家、會議室、車內;其他應用情境包括在吵鬧的環境內使用麥克風或視訊會議。
 



嚴密控制靈敏度 



在執行雜訊抑制和聲波聚束等功能的性能演算法中,通常會假設麥克風陣列中的每個麥克風單元具有相同的靈敏度,因此麥克風單元之間的靈敏度變化,將會影響演算法的性能。
 



這個問題對靈敏度匹配提出了較高的要求。MEMS麥克風的靈敏度公差通常為±3dB,但是麥克風公差可降到±1dB,具體做法是按照更嚴格的公差標準篩選麥克風(產品分級),且/或優調麥克風ASIC,以修正麥克風參數的正常變化。
 



MEMS麥克風應用正在快速成長。市調機構IHS預測,未來四年,MEMS麥克風銷量將會成長一倍左右,從2013年約二十七億顆成長到2017年約五十億顆;其中,平板電腦、智慧型手機等消費性電子應用的成長,將是MEMS麥克風市場成長的主要貢獻者。
 



另外,在一個產品中使用至少兩個麥克風的麥克風陣列解決方案,例如錄影、主動雜訊抑制和聲波聚束,是推動MEMS麥克風應用成長的另一個動力。
 



(本文作者任職於意法半導體)

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