MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)在麥克風上的應(yīng)用帶動了高性能小型麥克風的發(fā)展。 MEMS 麥克風具有高信噪比、低功耗、良好的靈敏度，并且采用非常小的封裝，與表面貼裝工藝完全兼容。 MEMS麥克風在回流焊接后性能幾乎沒有變化，并且具有優(yōu)異的溫度特性。

MEMS 麥克風聲學傳感器

MEMS 麥克風使用聲學傳感器，這些傳感器是使用硅晶圓和高度自動化工藝在半導體生產(chǎn)線上制造的。不同材料層沉積在硅晶圓頂部，然后蝕刻掉不需要的材料，在基礎(chǔ)晶圓的空腔上方形成可移動薄膜和固定背板。傳感器背板是一個堅硬的穿孔結(jié)構(gòu)，允許空氣輕松地穿過它，而薄膜是一個薄的固體結(jié)構(gòu)，可以響應(yīng)聲波引起的氣壓變化而彎曲。

聲波產(chǎn)生的氣壓變化導致薄膜彎曲，而當空氣穿過其穿孔時，較厚的背板保持靜止。薄膜的移動會導致薄膜和背板之間的電容值發(fā)生變化，該變化由 ASIC 轉(zhuǎn)換為電信號。

MEMS 麥克風 ASIC

MEMS 麥克風內(nèi)的 ASIC 使用電荷泵在麥克風薄膜上放置固定電荷。然后，ASIC 測量由于膜響應(yīng)聲波的運動而導致膜和固定背板之間的電容發(fā)生變化時引起的電壓變化。模擬 MEMS 麥克風產(chǎn)生與瞬時氣壓水平成正比的輸出電壓。模擬麥克風通常只有 3 個引腳：輸出、電源電壓 (VDD) 和接地。盡管模擬 MEMS 麥克風的接口在概念上很簡單，但模擬信號需要仔細設(shè)計 PCB 和電纜，以避免在麥克風輸出和接收信號的 IC 輸入之間拾取噪聲。在大多數(shù)應(yīng)用中，還需要低噪聲音頻 ADC 將模擬麥克風的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式以進行處理和/或傳輸。

顧名思義，數(shù)字 MEMS 麥克風具有可在低邏輯電平和高邏輯電平之間切換的數(shù)字輸出。大多數(shù)數(shù)字麥克風使用脈沖密度調(diào)制 (PDM)，它會產(chǎn)生高度過采樣的單位數(shù)據(jù)流。使用脈沖密度調(diào)制的麥克風輸出的脈沖密度與瞬時氣壓水平成正比。脈沖密度調(diào)制類似于 D 類放大器中使用的脈寬調(diào)制 (PWM)。不同之處在于，脈沖寬度調(diào)制使用脈沖之間的恒定時間并在脈沖寬度中對信號進行編碼，而脈沖密度調(diào)制使用恒定的脈沖寬度并在脈沖之間的時間中對信號進行編碼。

除了模擬麥克風上的輸出、接地和 VDD 引腳外，大多數(shù)數(shù)字麥克風還具有用于時鐘和 L/R 控制的輸入。時鐘輸入用于控制 delta-sigma 調(diào)制器，該調(diào)制器將來自傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 PDM 信號。數(shù)字麥克風的典型時鐘頻率范圍約為 1 MHz 至 3.5 MHz。麥克風的輸出在選定的時鐘邊沿被驅(qū)動到適當?shù)碾娖剑缓笤跁r鐘周期的另一半內(nèi)進入高阻抗狀態(tài)。這允許兩個數(shù)字麥克風輸出共享一條數(shù)據(jù)線。 L/R 輸入決定數(shù)據(jù)在哪個時鐘沿有效。

數(shù)字麥克風輸出相對不受噪聲影響，但由于麥克風輸出和 SoC 之間的寄生電容、電阻和電感造成的失真，信號完整性仍然是一個問題。阻抗不匹配還會產(chǎn)生反射，從而導致數(shù)字麥克風與 SoC 之間距離較長的應(yīng)用中的信號失真。

盡管數(shù)字 MEMS 麥克風不需要編解碼器，但在大多數(shù)情況下，脈沖密度調(diào)制輸出必須從單位 PDM 格式轉(zhuǎn)換為多位脈沖編碼調(diào)制 (PCM) 格式。許多編解碼器和 SoC 都具有帶有濾波器的 PDM 輸入，可將 PDM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 PCM 格式。微控制器還可以使用同步串行接口從數(shù)字麥克風捕獲 PDM 數(shù)據(jù)流，并使用軟件中實現(xiàn)的濾波器將其轉(zhuǎn)換為 PCM 格式。

MEMS 麥克風封裝

MEMS 麥克風采用中空封裝，由帶焊盤的基板(可焊接到電路板或柔性電路)和蓋子組成，該蓋子可形成聲學傳感器和 ASIC 所在的空腔。大多數(shù) MEMS 麥克風將單獨的芯片用于 MEMS 傳感器和接口 ASIC，這允許優(yōu)化 MEMS 工藝以創(chuàng)建移動結(jié)構(gòu)，同時使用標準 CMOS 工藝來制造 ASIC。 ASIC 通過引線鍵合到傳感器和基板上，然后將蓋子放在它們上面并密封到基板上。

MEMS 麥克風的封裝中需要有一個孔，以便聲音能夠到達聲學傳感器。聲音入口可以位于蓋子(頂部端口)或焊盤旁邊的底部(底部端口)。底部端口麥克風還需要在安裝它們的電路板上有一個孔，以允許聲音到達聲音入口。選擇使用頂部端口還是底部端口麥克風通常取決于麥克風在產(chǎn)品中的位置和制造注意事項等因素。性能也可能是麥克風端口選擇的一個主要因素，因為傳統(tǒng)上頂部端口麥克風的性能比同等底部端口麥克風的性能較差。 然而，高性能頂部端口麥克風(例如 ST 的 MP34DT01)的推出意味著這不再一定是正確的。

聲學傳感器的薄膜將 MEMS 麥克風的內(nèi)部分為兩部分。聲音入口和傳感器膜之間的區(qū)域通常稱為前室，膜另一側(cè)的部分稱為后室。底部端口麥克風中的傳感器通常直接放置在聲音入口上方，這有幾個好處。

大多數(shù) MEMS 麥克風的靈敏度在較高頻率下會增加。靈敏度的增加是由聲音入口中的空氣與麥克風前室中的空氣之間的相互作用引起的。這種相互作用會產(chǎn)生亥姆霍茲共振，這與向瓶子吹氣時產(chǎn)生聲音的現(xiàn)象相同。與瓶子一樣，較小的空氣體積會產(chǎn)生較高的共振頻率，而較大的空氣體積會產(chǎn)生較低的共振頻率。 在大多數(shù)底部端口麥克風中，麥克風傳感器直接安裝在聲音入口上方，這導致前室相對較小，亥姆霍茲共振的中心頻率較高。由于亥姆霍茲共振通常位于音頻頻帶的上部，因此增加共振頻率會導致更平坦的頻率響應(yīng)。

將傳感器直接放置在聲音入口上方也會產(chǎn)生相對較大的后室。后室中的空氣體積較大，使得膜更容易響應(yīng)聲波而移動，從而提高麥克風的靈敏度并帶來更高的信噪比。大后腔還改善了麥克風的低頻響應(yīng)。傳統(tǒng)上，頂部端口麥克風的結(jié)構(gòu)與底部端口麥克風非常相似，傳感器和接口 IC 安裝在基板上，并用中空蓋將它們包圍。傳統(tǒng)上，頂部端口和底部端口麥克風之間的唯一真正區(qū)別是聲音入口位于麥克風蓋中而不是位于基板中。對于這些麥克風，將聲音入口移動到蓋子，將以前的前室變成后室，反之亦然。

傳統(tǒng)頂端口MEMS麥克風后腔內(nèi)的空氣體積較小，使得薄膜移動更加困難，這會損害傳感器的靈敏度并導致信噪比較低。此外，進音口與振膜之間的前腔室中較大的空氣量會降低諧振頻率，從而損害麥克風的高頻響應(yīng)。較低的信噪比和較差的高頻和低頻頻率響應(yīng)相結(jié)合，是大多數(shù)頂部端口麥克風的性能比同等底部端口麥克風差的原因。

此規(guī)則的一個例外是 STMicroElectronics 的 MP34DT01 頂部端口數(shù)字 MEMS 麥克風。 ST 的專有封裝技術(shù)使得可以將 MEMS 傳感器和接口 IC 安裝在 MP34DT01 蓋子的底部，聲音入口的正下方。這會產(chǎn)生一個較小的前腔室和一個較大的后腔室，并使 MP34DT01 能夠達到與該麥克風的底部端口版本 MP34DB01 相同的性能水平。安裝在 MP34DB01 頂部端口 MEMS 麥克風蓋子底部的 MEMS 傳感器和 ASIC 。