前面有一篇文章讲述了驻极体麦克风,它是手机音频界的老前辈了,链接如下:
而在当前手机中,为你工作的已不是这个老哥们,驻极体麦克风已被MEMS麦克风所取代。MEMS,微机械加工,科技新贵,一种融合了物理、化学原理与工程工艺的现代技术,像是在尘埃中建筑新的世界。
而MEMS麦克风就是其一种典型应用,一种将声学传感器微型化、集成化的杰出技术。
因为模拟MEMS麦克风目前用的比较多,所以本篇着重介绍模拟麦克风。

内部结构
典型的MEMS麦克风主要包含了两个部分:MEMS声学传感器(微机械结构)和ASIC芯片(电信号处理)。
对于MEMS声学传感器,主要由可动振膜和背板构成,振膜和背板构成了一个平行板电容器。
- 可动振膜:极薄的硅膜,可以随声压振动。
- 背板:固定的、不可移动的板子,与振膜平行放置,中间有微小的空气间隙。

工作原理
当声波从外壳的开孔中进入时,会戳中那个敏感的振膜,导致振膜振动,根据平行板电容公式 C = εA/d (ε是介电常数,A是相对面积,d是间距),d的变化会引起电容C的变化。
但电容的变化值非常微弱,所以还需要精密的电路来检测这个变化,并转换为电压信号,而这些电路就集成在ASIC芯片中。
模拟MEMS麦克风的内部框图如下图所示:

放大之后的信号如果直接输出就是模拟MEMS麦克风,可以将输出提供给后级CODEC;而如果再集成一个ADC,将模拟信号变换为数字信号对外输出,则称为数字MEMS麦克风,常见的MEMS数字麦克风接口包含PDM接口和I2S接口,可直接与手机的AP相连。
电路
在应用时,通常在电源端并联一个0.1μF的电容,以滤除来自电源电压的干扰。此外,还需在输出线中串联电容(1uF左右),以滤除直流分量。
对于模拟MEMS麦克风,从输出上又分为单端输出和双端输出两种类型。
1、单端输出
只有一根信号线输出音频信号,信号电压是相对于公共的地的,电路简单,成本低。但是抗干扰能力差,相当于裸奔,任何在信号线或地线上感应到的噪声(如射频干扰、电源纹波、地弹噪声)都会叠加在音频信号上,无法被区分和消除,信噪比通常较低。

2、双端输出(差分输出)
而双端输出有两根信号线输出一对差分信号,一个是正相信号,另一个是反相信号。ASIC芯片内部包含了偏置电路和放大器,能生成一对幅度相等、相位相反(相差180度)的差分信号。
外界的射频干扰、电源噪声等在传输过程中,会同时耦合到OUT+和OUT-两条线上,即外部噪声是共模的,在芯片内部处理时会被抵消掉,同归于尽。
因此,双端输出麦克风能有效抑制电源噪声、射频干扰和地线干扰,具有更高的信噪比和动态范围,更优异的电磁兼容性。

总结
不是驻极体不努力,只是对手太强大,与驻极体相比,MEMS麦克风可谓是压倒性的优势:
- MEMS麦克风采用半导体光刻和蚀刻工艺制造,尺寸可以做的非常小,且大批量生产时性能一致性高。
- 信噪比优,因为其硅振膜非常轻、刚度大,本底噪声低。
- THD低,因为硅振膜的运动线性度较好,尤其是在小振幅下。
- 可做小型化的全向麦克风,本质上是全指向性的压力传感器,声波通过外壳上的小孔作用于振膜,指向性由封装外壳的声学结构决定。驻极体麦克风虽然也能做全指向性,但其尺寸通常更大
- 硅材料坚固耐用,耐热、抗振动,适合回流焊。
- 对机械振动和温度变化不敏感,对射频干扰不敏感。
- 工作电流通常低于几百微安,适合为电池供电的设备供电。
但是驻极体麦克风因为自身带电的原因,其管脚数量少于MEMS麦克风,我们可以看到MEMS麦克风有一个单独的VCC pin,单端输出有3个pin,双端输出则是4个pin,而驻极体麦克风通常两个pin就行了。