MEMS麦克风技术和解析：一文读懂什么是硅麦？

MEMS麦克风技术和解析：一文读懂什么是硅麦？

MEMS麦克风作为现代音频设备的核心组件，其技术原理和应用范围备受关注。本文将从MEMS麦克风的基本概念出发，深入解析其工作原理、输出方式、封装技术以及主要规格参数，帮助读者全面了解这一重要音频设备的技术细节。

MEMS麦克风技术是什么？

MEMS（微机电系统）麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，由硅结构材料进行物理拾音，又通过“硅电路”处理，所以又称“硅麦克风”。从拾音器件来分类，大多数MEMS麦克风都可以被归类为电容麦克风，使用电容式传感器技术。近年来，一些制造商还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。

MEMS麦克风如何工作？模拟与数字麦克风输出

在MEMS麦克风中，硅结构中的薄镀膜随着声音振动，直连产生变化的电容，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。

所有麦克风的初始信号当然都是模拟音频，这些微弱的信号需要通过前置放大器进行增幅，以提升其至可用但仍较低的电平，然后通过集成的专门的电路，将变化的电信号转换为模拟或者数字信号。

MEMS麦克风模拟输出

模拟麦克风将增幅后的信号直接传送至输出端。输出类型分为单端和差分两种，其中差分系统具有两个输出，它们之间的相位差为180度。根据输出是单端还是差分，模拟麦克风通常设有三或四个引脚：电源引脚、公共接地引脚，以及一个或两个输出引脚。

值得注意的是，电源始终由单一的正电源提供。这会导致在输出端产生一个直流偏移。为了消除这一偏移，应当使用电容器进行去耦，如下所示。

MEMS麦克风数字输出

配备数字输出的MEMS麦克风会进行模数（A/D）转换，即将经过放大的模拟音频信号转换成数字信号。这些麦克风大多采用delta-sigma转换技术，生成的是脉冲密度调制（PDM）输出，具体过程下图所示。

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

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，如下图所示：

电源
共同点
输出
时钟输入
L/R（左/右）选择

L/R选择机制的工作原理是，当连接设置为高电平（左）时，模数转换器（A/D）的输出会在时钟信号上升沿后发送。若设置为低电平，则数据会在时钟信号下降沿时传输。通过这种方式，左右声道的输出可以共用同一条数据线进行发送。

MEMS麦克风封装

MEMS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，如下图所示。

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。如前面所示，顶部和底部端口可用。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，如下图所示。

带有底部声音端口的MEMS麦克风封装

MEMS麦克风PCB安装

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

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

在正常语音电平下，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：通常从低品的80或100 Hz到10或15 kHz，适合语音，非常适合大多数音频，现在很多新品都达到20 Hz。在高频，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。

MEMS麦克风是MEMS传感器和MEMS执行器里的一个分支应用，它们是人类科技发展的一个里程碑，已成为众多科技消费应用产品的首选。