0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

MEMS麦克风技术的工作原理及用途

手机技术资讯 来源:半导体行业观察 作者:半导体行业观察 2022-11-28 09:42 次阅读

MEMS 硅麦克风无处不在,从手机、助听器、智能扬声器、计算机到车辆。在本文中,我们介绍它们的工作原理、用途和可用内容的基础知识。

微机电系统或 MEMS是使用最初为集成电路 (IC) 开发的技术在硅上蚀刻和制造的。微机械喷墨喷嘴可能是第一个,但是,自 1990 年代以来,MEMS 技术创造了各种传感器和其他机电设备,包括麦克风。

MEMS 麦克风体积小、价格适中且随时可用。麦克风元件本身不到 1 毫米,通常要小得多。大多数采用表面贴装 IC 外壳,包括带模拟或数字输出的放大电路。音频信号的输入端口可以位于封装 MEMS IC 的顶部或底部。

大多数麦克风都是消费级的,具有良好的音质,但不等同于用于专业音频的麦克风。

MEMS 麦克风如何工作?模拟与数字麦克风输出

所有麦克风都以模拟音频信号开始,并使用前置放大器(有时称为缓冲器)将音频提升到可用但仍然很低的水平。许多使用电容式传感器技术,这将在下一节中介绍。它们包括将电容变化转换为电信号的附加电路。

MEMS麦克风模拟输出

模拟麦克风将增强信号直接发送到输出。有两种输出类型——单端和差分。差分系统有两个输出,彼此相位差 180 度。模拟麦克风有三个或四个引脚:电源、公共(接地)和一个或两个输出,具体取决于输出是单端还是差分。

电源始终由单个正电源提供。这会在输出端产生直流偏移,该偏移应由电容器去耦,如图 2 所示。

7cd97552-6eb1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图 2.模拟输出麦克风。

电源电压通常在 1.8 和 3.5 V 之间,典型的直流偏移在 0.8 到 1.5 V 之间。

MEMS 麦克风数字输出

具有数字输出的 MEMS 麦克风执行模数 (A/D) 转换,将放大的模拟音频信号转换为数字信号。大多数使用delta-sigma 转换来产生 PDM(脉冲密度调制)输出,如图 3 所示。

7ceca118-6eb1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图 3.脉冲密度调制。当音频信号较高时,高脉冲(蓝色)具有较高的密度。

图片由MyNewMicrophone.com提供

脉冲密度(即逻辑高脉冲的百分比)与电压成正比。这不是你通常认为的数字,因为没有创建数字词,只是脉冲。尽管通常使用微处理器程序或音频 CODEC(编码器/解码器),但只需将脉冲流通过低通滤波器即可对其进行解码。

大多数数字输出 MEMS 麦克风有五个引脚,如图 4 所示:

电源

共同点)

输出

时钟输入

L/R(左/右)选择

7cfbfbcc-6eb1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图 4.数字输出麦克风用于立体声系统

L/R 选择如何工作?如果连接为高电平(左),则 A/D 输出在时钟变高后发送。如果低,则数据跟随低时钟转换。这样,左右输出可以通过同一条数据线发送。

一些麦克风使用最初由飞利浦半导体(现为恩智浦半导体)创建的I2S(Inter-IC Sound)标准。与 PDM 一样,它有一个时钟和 L/R 选择输入,但输出是数字字,而不是调制脉冲。同样,与 PDM 一样,它可以通过微处理器软件或 I2S CODEC 解码。此外,它不能被低通滤波器解码。

MEMS麦克风技术

大多数 MEMS 麦克风都使用电容式传感器技术。硅结构中的薄镀膜随着声音振动,产生变化的电容。电容器的第二个极板位于硅中的固定表面上。IC 中的电荷泵为电容器产生高直流电压。IC 电路将电容变化转换为代表 MEMS 膜上音频信号的电信号。

最近,一些制造商制造了使用压电传感元件的麦克风。压电元件的运动产生音频电压。这些公司声称比电容有一些优势,但对于大多数应用来说,使用哪种技术并不重要。

您可能还会看到术语“硅麦克风”。这不是第三种技术,只是描述硅 MEMS 麦克风的不同方式。

MEMS麦克风封装

麦克风元件及其电路不在同一硅芯片上。他们的制造技术差异太大,无法将它们制造在一起。相反,麦克风和单独的 ASIC(专用集成电路)组合在同一个封装中,通过引线键合连接,如图 5 所示。

7d11231c-6eb1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图 5.带有顶部声音端口的 MEMS 麦克风封装。

MEMS 麦克风采用类似 IC 的封装,用于表面贴装组装。当然,它们需要端口让声音进入。如图 1 前面所示,顶部和底部端口可用。图 5 是顶部端口 MEMS 麦克风的示例。如果使用带有底部端口的麦克风,则必须在其下方的电路板上打一个孔,如图 6 所示。

7d2d9d94-6eb1-11ed-8abf-dac502259ad0.png

图 6.带有底部声音端口的 MEMS 麦克风封装。

MEMS 麦克风的 PCB 安装

标准回流焊接技术可用于将 MEMS 麦克风连接到 PCB。但是,您当然必须小心,不要让污染物进入声音端口。在清洁过程中,您可能需要用胶带封住或密封端口。

如果使用真空拾音器,不要让它们接触声音端口。另外,请勿将空气吹入端口或将麦克风暴露在真空中。最后,在您的设计中,放置一个电源至公共旁路电容器,使其尽可能靠近麦克风。0.1 uF 陶瓷电容器通常是电源去耦的不错选择。

MEMS 麦克风一般规格

大多数 MEMS 麦克风具有相似的规格。以下是一些典型值。敏感性令人困惑,所以让我们先尝试处理它。

模拟输出灵敏度(典型值):-38 dBV,94 dB SPL,1 kHz

数字输出灵敏度(典型值):-26 dB FS,94 dB SPL,1 kHz

让我们更详细地了解每个规范的含义。

dBV 表示相对于 1 V 参考的分贝数。-38 dBV 相当于 12.6 mV。

dB FS 表示相对于 A/D 转换器满量程的分贝数。

SPL 表示声压级。根据一篇在线文章,3 英尺外的正常对话约为 40 至 60 dB SPL。耳朵处的 85 dB SPL 会导致听力受损。因此,94 dB SPL 是一个很高的值。

在正常语音水平下,模拟麦克风的输出将是低毫伏,而数字麦克风将远低于满量程。在某种程度上,这是一件好事,因为它为响亮的声音留下了很大的余量。

频率响应:通常从低端的 80 或 100 Hz 到 10 或 15 kHz。适合语音,非常适合大多数音频。有些下降到 20 赫兹。在高端,响应在较高频率下增加,在 30 至 40 kHz 附近具有显着的超声共振峰值。在此之上,响应下降。

工作温度:大部分为-40至+85摄氏度。

电源电压:从 1.5 或 2 V 到 3 或 3.6 V。规格各不相同。

尺寸:3 x 4 毫米或更小,高约 1 至 1.5 毫米。大多数使用相同的表面贴装焊盘图案。

与往常一样,检查您计划使用的麦克风的规格。

MEMS 技术在传感器(包括麦克风)方面取得了惊人的进步。MEMS 麦克风通常设计用于电路板安装,不仅包括麦克风,还包括具有模拟或数字输出的支持电路。我们回顾了基本技术、模拟和数字输出、物理封装和典型规格。

MEMS 麦克风价格低廉,可从十多家制造商处广泛购买。您可以在您最喜欢的电子经销商处找到它们。有些小批量低至一美元左右。对于业余爱好者,还有分线板。

审核编辑:郭婷

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2526

    文章

    48104

    浏览量

    740098
  • mems
    +关注

    关注

    128

    文章

    3735

    浏览量

    188726
  • 麦克风
    +关注

    关注

    14

    文章

    596

    浏览量

    54199

原文标题:一文看懂MEMS麦克风技术

文章出处:【微信号:Mobile-Info,微信公众号:手机技术资讯】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    MEMS麦克风技术和解析:一文读懂什么是硅麦?

    。 我们一只都在了解的是较传统的麦克风,但已经有不少年了,MEMS麦克风得到了迅猛发展,是目前应用最多的麦克风,它结合现代技术,尤其是微机
    的头像 发表于 04-09 18:11 456次阅读
    <b class='flag-5'>MEMS</b><b class='flag-5'>麦克风</b><b class='flag-5'>技术</b>和解析:一文读懂什么是硅麦?

    是否可以把STM32F407VG板子上的麦克风屏蔽了,外接自己的两个PDM麦克风

    请问是否可以把STM32F4DISCOVERY板子上的麦克风屏蔽了,外接自己的两个PDM麦克风
    发表于 04-03 07:30

    STM32接入PC后能枚举出来麦克风设备,但是开始录音后无数据,为什么?

    使用STM32F4做USB 麦克风硬件: STM32F411 + MEMS数字麦克风(输出PDM数据)+ USB接口工作流程:STM32作为USB Aduio Deice 与PC连接,
    发表于 03-18 08:25

    MEMS麦克风封装的组装指南和建议

    本应用笔记提供 MEMS 麦克风封装的组装指南和建议,介绍了 ADMP401 和 ADMP421 的各种详细参数、器件尺寸、建议的模板图形以及 PCB 焊盘布局图形。 封装信息 MEMS 麦克
    发表于 11-27 18:24 1次下载
    <b class='flag-5'>MEMS</b><b class='flag-5'>麦克风</b>封装的组装指南和建议

    符合汽车标准的MEMS麦克风 汽车在细心聆听

    符合汽车标准的MEMS麦克风 汽车在细心聆听
    的头像 发表于 11-24 17:15 351次阅读
    符合汽车标准的<b class='flag-5'>MEMS</b><b class='flag-5'>麦克风</b> 汽车在细心聆听

    麦克风经常啸叫,学会这几招轻松避免

    电平时,压限器开始工作。 三、房间的声学设计   房间的建声条件不好,例如房间声学共振使声音中的某些频率得到加强,会导致啸叫。室内的凹面反射引起的声聚焦导致声场内局部音量过强,当麦克风处在声聚焦的区域拾音
    发表于 10-11 10:54

    使用晶体管的驻极体麦克风放大器电路

      该驻极体麦克风放大器电路采用普通电子元件设计。该麦克风放大器电路使用驻极体麦克风极头,但可以是动圈麦克风,其电阻较低。本电路要求电源电压在5到10伏之间,建议使用9伏直流电源电压。
    发表于 09-08 15:47

    麦克风阵列声源定位追踪模组AR-1105

    麦克风模组
    深圳德宇科技有限公司
    发布于 :2023年09月01日 17:12:38

    使用LM387制作的动圈麦克风前置放大器电路

      动圈麦克风前置放大器电路可以使用LM387双运算放大器集成电路制成。输入阻抗对应于47k,它几乎完全取决于R1。如果您希望连接具有不同值的动圈麦克风,可以更改电阻R1。动圈麦克风前置放大器放大
    发表于 08-31 18:18

    使用NuMicro M487上的SPI或I2S来捕捉PDM麦克风数据

    应用程序 : 这个 USB 音频类示例代码记录来自 SPI 或 I2S 上的 PDM 麦克风的声音, 当微控制器(MCU) 没有专用接口时, 它会连接到 SPI 或 I2S 上 。 示例代码包括将
    发表于 08-29 07:36

    请问NUC505支持数字麦克风吗?

    NUC505支持数字麦克风吗?
    发表于 08-28 07:09

    TDK MEMS麦克风第2代全新封装满足先进需求

    近年来,在智能手机等设备中,运用MEMS(微机电系统)技术MEMS麦克风(以下称为MEMS麦克风
    的头像 发表于 08-22 16:21 543次阅读

    STM32F4 USB麦克风录音后无数据,BUSHOUN数据长度一直是0无法进入函数USBD_AUDIO_DataIn怎么解决

    使用STM32F4做USB 麦克风硬件: STM32F411 + MEMS数字麦克风(输出PDM数据)+ USB接口 工作流程:STM32作为USB Aduio Deice 与PC连接
    发表于 08-07 08:16

    OP37低噪声麦克风前置放大器电路设计

    具有高工作增益,OP37有助于节省110kHz带宽。由于OP37是去补偿器件(最小稳定增益为5),如果要拔下麦克风,可能需要一个虚拟电阻RP。否则,来自开路输入的100%反馈可能会导致放大器振荡
    发表于 08-04 17:49

    请问NUC505是否支持数字麦克风?

    是,NUC505内部音讯编译码器( Audio CODEC )有支持数字麦克风功能,但只能同时支持一组麦克风,左右声道数据相同。通过PA2 (Digital MIC clock in)及PA3
    发表于 06-20 08:15