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从ECM到MEMS,蜕变中的麦克风

发布者:admin 发布时间:2012/10/26 阅读:2363次

 一切都在不知不觉之间悄悄地改变着。就连麦克风这样一个不起眼的小零件,也正在悄无声息地演化着。近几年来,在手机等高端应用中,传统的驻极体电容麦克风正在被MEMS器件所取代。

麦克风简史

       麦克风 ,学名为传声器,由Microphone翻译而来。传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件,也称作话筒或微音器。

       麦克风的历史可以追溯到19世纪末,贝尔(Alexander Graham Bell)等科学家致力于寻找更好的拾取声音的办法,以用于改进当时的最新发明――电话。期间他们发明了液体麦克风和碳粒麦克风,这些麦克风效果并不理想,只是勉强能够使用。

       二十世纪,麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容式转换,大量新的麦克风技术逐渐发展起来,这其中包括铝带、动圈等麦克风,以及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风。

驻极体麦克风

      目前市场上销售的麦克风主要有动圈式、电容式、驻极体和最近新兴的硅微传声器,此外还有液体传声器和激光传声器等。动圈传声器音质较好,但体积庞大。驻极体传声器体积小巧,成本低廉,在电话、手机等设备中广泛使用。  基于CMOS MEMS(Micro Electro Meganetic System,微机电系统)技术的硅麦克风体积更小,特别适合高性价比的应用。

噪音,麦克风的难题

       作为音频信号输入的麦克风,一直以来受噪声问题的困扰。  

       麦克风的噪音源来自若干个方面:偏置电压波动引起的电子噪声,FET噪声,板级噪声,振膜的声音自噪声,以及被耦合到FET的高阻抗输入的外部电磁(EM)场和射频(RF)场。详述如下:

      (1)当安置有ECM(Electret Condenser Microphone,驻极体电容麦克风)的系统靠近带有功率控制的射频发射器时(譬如手机),功率控制产生的RF信号的音频成份可通过麦克风解调,并转换为可闻于音频路径的声音信号。

      (2)ECM信号放大电路中由FET的高阻抗栅极来调校发射功率放大器的门限(在音频频段内出现)并放大信号。这种信号一旦进入音频频段,是很难消除的。

      (3)电源电压波动也是音频系统中最常见的噪音源。作为低敏感度的ECM,它的输出是一个10mVrms数量级的很小的模拟信号。由于ECM没有任何电源抑制能力,很小的电源电压波动就将导致间歇性噪音。

      (4)ECM还带来了机械设计方面的挑战。因为ECM不仅能够检测声音信号,还能检测出机械振动,并最终把振动转换为低频声音信号,这样,当ECM被置于振动环境(比如安装在电风扇或大型喇叭附近的电路板上)时,振动将成为音频系统的主要噪音源。

MEMS麦克风的优势

      MEMS麦克风是利用硅薄膜来检测声压的,MEMS麦克风能够在芯片上集成一个模数转换器,形成具有数字输出的麦克风。由于大多数便携式应用最终都会把麦克风的模拟输出转换为数字信号来处理,因此系统架构可以设计成完全数字式的。这样一来,就从电路板上去掉了很容易产生噪音的模拟信号,并简化了总体设计。

贴片式封装的MEMS麦克风

       与传统的ECM麦克风相比,MEMS麦克风具有以下优势: 

       1、制作工艺具有很好的重复性和一致性,从而保证每颗硅麦克风有相同的优秀表现。

       2声压电平高,且芯片内部一般有预放大电路,因此灵敏度很高。

       3、频响范围宽:10010KHZ

       4、失真小:THD<1%(at 1KHZ,500mV p-p)Total Harmonic Distortion,总谐波失真

     5、振动敏感度低:<1dB

        6、优异的抗EMIRFI特性

    7、电流消耗低:150µA

       8、耐潮湿环境和温度冲击。

    9、耐高温,能够使用波峰焊。

     10、能够经受振动、跌落、撞击等机械力和温度冲击。

       MEMS麦克风具有半导体产品的种种优点,解决了ECM所无法解决的许多困难。其中最为重要的一个特性是,MEMS麦克风容易实现数字化,从而削除了传输噪音。MEMS麦克风用途广泛,目前主要应用在手机中,数码相机、MP3播放器和PDA、耳机和助听器等领域也正在从ECM向MEMS过渡。

        MEMS麦克风市场潜力巨大。据Information Network的研究报告,MEMS麦克风在2005年时只能取得5%的整体市场率,但到2008年,预计在30亿支麦克风市场中MEMS产品占据15%,复合成长率达240%。因此,世界上很多国家和地区都投入到新一轮竞争之中,美国Knowles Acoustics(楼氏声学)的MEMS麦克风自2003年面世以来,已经销售了数亿片,占据了全球MEMS麦克风市场95%的份额。

楼氏声学公司出品的SiSonic贴片式MEMS麦克风

    我国台湾也有意急起直追,包括台湾“工研院电子所”、美律、亚太优势、探微、日月光、菱生、矽品、天瀚等20余家扬声器、麦克风和其它电声器件厂商,共同成立了“微电声产业联盟”,以整合上、中、下游厂商,建立从电声器件设计、器件制作/代工、器件封装至系统模块的完整产业链。

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