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

作者 Masahito Kanaya 安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷員

摘要：隨著智能設(shè)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(nèi)麥克風(fēng)提供高性能和保真度及可靠性，適用于便攜式設(shè)備。本文介紹了MEMS麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)和工作模式，并介紹了相關(guān)的MEMS麥克風(fēng)套件。

　　智能手機(jī)和平板電腦等設(shè)備的所有者們總是希望能夠以新的方式使用他們的設(shè)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、音樂表現(xiàn)，并期待精準(zhǔn)、逼真的播放，或享受無背景噪音的高語(yǔ)音通話質(zhì)量，即使在戶外或在車上。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(shì)需要更高性能的麥克風(fēng)，一些手機(jī)通過使用兩個(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(duì)用戶聲音作出反應(yīng)的智能數(shù)字助理的出現(xiàn)正改變?nèi)藗兣c計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的方式，可以推動(dòng)高性能的音頻子系統(tǒng)到更多的產(chǎn)品，如可穿戴和未來的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。

　　因此，對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)的需求越來越多，MEMS可以在緊湊的尺寸內(nèi)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(shè)備。根據(jù)市場(chǎng)研究公司IHS Technology預(yù)測(cè)，MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)將會(huì)從2015年的36億臺(tái)增長(zhǎng)到2019年超過60億臺(tái)。

1 MEMS麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)是為了適應(yīng)聲波引起的氣壓變化。而彎曲造成膜片相對(duì)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(zhuǎn)換成一個(gè)模擬或數(shù)字格式的電信號(hào)。

　　市場(chǎng)上有模擬和數(shù)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(shè)備的流行方案，如功能手機(jī)和入門級(jí)到中檔智能手機(jī)。

2 數(shù)字化

　　集成模擬調(diào)節(jié)信號(hào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的數(shù)字麥克風(fēng)通常是PC和高端智能手機(jī)的首選設(shè)備。數(shù)字技術(shù)利用固有的更高射頻和抗電磁干擾(EMI)，實(shí)現(xiàn)更佳的音頻性能，如圖1所示。此外，電路設(shè)計(jì)和電路板布局可以簡(jiǎn)化，從而在無需修改電阻和電容值情況下，更易于改變?cè)O(shè)計(jì)。

　　大多數(shù)數(shù)字麥克風(fēng)含有時(shí)鐘輸入和L/R控制的輸入。時(shí)鐘輸入用來控制Δ∑調(diào)制器，將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖密度調(diào)制(PDM)信號(hào)。典型的時(shí)鐘頻率范圍從1MHz至3.5MHz。麥克風(fēng)的輸出被驅(qū)動(dòng)到所選擇的時(shí)鐘沿的適當(dāng)水平，然后進(jìn)入一個(gè)高阻抗?fàn)顟B(tài)的時(shí)鐘周期的另一半。這令兩個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)輸出能共享單條數(shù)據(jù)線(圖2)。L/R輸入確定有效數(shù)據(jù)的時(shí)鐘沿。

　　數(shù)字MEMS麥克風(fēng)具有高抗噪性和簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)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(xiàn)定向靈敏度。為了在智能手機(jī)中實(shí)現(xiàn)噪聲消除，一種常見的方法是在遠(yuǎn)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(cè)來自周圍環(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(shù)麥克風(fēng)有全向靈敏度，但一些應(yīng)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;例如在電話會(huì)議或行車通話的情況下提高音頻質(zhì)量和清晰度。波束形成通過應(yīng)用數(shù)字算法到陣列中的麥克風(fēng)輸出，根據(jù)從不同方向到達(dá)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)特定的聲音傳來的方向。

3 專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)

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

　　安森美半導(dǎo)體可以集成由獨(dú)立的MEMS供應(yīng)商制造的各種MEMS換能器。例如LC706200數(shù)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(dǎo)體的數(shù)字ASIC滿足關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，可以幫助當(dāng)下MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)人員克服所面臨的挑戰(zhàn)。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(shí)別算法依賴于高信噪比，以達(dá)到良好的文字準(zhǔn)確率?，F(xiàn)在需要信噪比大于64dB的ASIC，輔以由MEMS工程師實(shí)現(xiàn)的進(jìn)展以優(yōu)化換能器的特點(diǎn)。

　　隨著終端用戶在日益增多的各種用例下對(duì)智能手機(jī)等設(shè)備更好的效果的渴求，需要麥克風(fēng)可以在嘈雜的環(huán)境中無失真地運(yùn)行，以達(dá)到高的聲壓級(jí)(SPL)。例如，支持社交用戶進(jìn)行高品質(zhì)的記錄以捕獲他們?cè)谝魳饭?jié)的體驗(yàn)。

4 用于未來的獨(dú)立語(yǔ)音指令的數(shù)字MEMS麥克風(fēng)

　　由于語(yǔ)音識(shí)別引擎和強(qiáng)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(shè)備領(lǐng)域，對(duì)語(yǔ)音指令功能有高要求。目前的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)通常一直執(zhí)行，因?yàn)樗鼈兿牧讼喈?dāng)大的功耗去聆聽和識(shí)別語(yǔ)音。未來的語(yǔ)音指令功能將有望獨(dú)立工作，并在由語(yǔ)音激活時(shí)打開。低功耗數(shù)字MEMS麥克風(fēng)技術(shù)將適用于未來獨(dú)立的語(yǔ)音觸發(fā)方案，可相對(duì)容易地被添加到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中。

　　如噪聲消除和波束形成等算法，分析來自多個(gè)麥克風(fēng)的信號(hào)，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以內(nèi)。雖然篩選或分級(jí)是一個(gè)潛在的方案，麥克風(fēng)設(shè)計(jì)人員正在尋找ASIC以提供可調(diào)增益，在MEMS制造中實(shí)現(xiàn)工藝相關(guān)變化的調(diào)整。

5 結(jié)論

　　人們使用電腦和智能設(shè)備的方式的變化，推動(dòng)對(duì)高性能MEMS麥克風(fēng)的需求。當(dāng)前市場(chǎng)上的數(shù)字ASIC能夠最大化麥克風(fēng)開發(fā)人員的自由，以提供同類最佳的產(chǎn)品來滿足這些需求。

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