前言

以高性能和小尺寸為特色的MEMS麥克風(fēng)特別適用于平板電腦、筆記本電腦、智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品。不過，這些產(chǎn)品的麥克風(fēng)聲孔通常隱藏在產(chǎn)品內(nèi)部，因此，設(shè)備廠商必須在外界與麥克風(fēng)之間設(shè)計(jì)一個(gè)聲音路徑，以便將聲音信號傳送到MEMS麥克風(fēng)振膜。這條聲音路徑的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)總體性能的影響很大。

下圖是一個(gè)典型的平板電腦的麥克風(fēng)聲音路徑：

圖1–典型應(yīng)用示例

外界與麥克風(fēng)振膜之間的聲音路徑由產(chǎn)品外殼、聲學(xué)密封圈、印刷電路板和麥克風(fēng)組成，這條聲音路徑起到波導(dǎo)作用，構(gòu)建系統(tǒng)總體頻響。此外，聲音路徑材質(zhì)的聲阻抗也會影響頻響。若想準(zhǔn)確預(yù)測聲學(xué)設(shè)計(jì)的性能如何，需要建立聲音路徑模型，使用COMSOL等專業(yè)級仿真工具對聲音路徑的頻響特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。然而，本文為讀者提供一些優(yōu)化麥克風(fēng)聲音路徑的基本原則。

Helmholtz諧振

狹窄的傳聲孔與空心腔室相連構(gòu)成的結(jié)構(gòu)在受到聲波激勵(lì)時(shí)會產(chǎn)生聲學(xué)諧振。當(dāng)我們對著空瓶的瓶嘴上方吹氣時(shí)，就會發(fā)生這種諧振現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)叫做Helmholtz諧振器，是以該現(xiàn)象的發(fā)明者Hermann von Helmholtz命名的。Helmholtz利用諧振頻率不同的諧振器識別音樂等復(fù)雜聲音內(nèi)的頻率成份。

Helmholtz諧振的中心頻率是由下面的程式確定：

其中c是空氣速度;AH是聲孔的橫截面積;LH是聲孔的長度;VC是空腔的容積。該方程式假設(shè)諧振器是一個(gè)空腔和一條橫截面均等的管道相連組成的簡單結(jié)構(gòu)。如果麥克風(fēng)的聲音路徑的橫截面積和材質(zhì)不同，則描述聲音路徑的聲波特性的方程式要復(fù)雜很多。因此，必須對整個(gè)聲音路徑進(jìn)行聲波特性仿真實(shí)驗(yàn)才能精確地預(yù)測聲學(xué)設(shè)計(jì)的總體性能。

在本文內(nèi)，通過改變麥克風(fēng)密封圈的厚度和內(nèi)徑、產(chǎn)品外殼聲孔直徑、印刷電路板聲孔直徑、聲音路徑彎折和路徑材質(zhì)的聲阻抗，我們對不同的聲音路徑進(jìn)行了頻響仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)先掌握這些參數(shù)變化對聲音路徑總體性能的影響程度。

麥克風(fēng)的頻響

MEMS麥克風(fēng)低頻頻響是由以下主要參數(shù)決定的：傳感器振膜前側(cè)和后側(cè)之間通風(fēng)孔的尺寸;后室的容積。而MEMS麥克風(fēng)高頻頻響則是由麥克風(fēng)前室和聲孔產(chǎn)生的Helmholtz諧振決定的。

對于大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)，當(dāng)麥克風(fēng)的靈敏度降至低頻然后再上升到高頻時(shí)，因?yàn)镠elmholtz諧振的原因，頻響曲線大體相同。但是，不同的MEMS麥克在傳感器設(shè)計(jì)、封裝尺寸和結(jié)構(gòu)方面差異很大，所以總體頻響特別是高頻頻響的差異很大。意法半導(dǎo)體的多數(shù)麥克風(fēng)將傳感器直接置于聲孔上面，以最大限度地降低前室容積，確保優(yōu)異的高頻響應(yīng)。

圖2–意法半導(dǎo)體MP34DT01上置聲孔麥克風(fēng)及其聲室的X光影像

下面的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果描述了意法半導(dǎo)體MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)本身的頻響，該仿真工具在聲音路徑模型的每個(gè)離散點(diǎn)上求解該方程式，在仿真結(jié)束后，將在所有有用點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)繪成圖形。

圖3–MP34DB01和MP34DT01 MEMS麥克風(fēng)的聲室

MP34DB01麥克風(fēng)仿真結(jié)果證明，頻響曲線在高頻部分非常平坦，在20 kHz時(shí)，典型靈敏度上升幅度大約+3dB，這是因?yàn)镠elmholtz諧振的中心頻率很高。該仿真結(jié)果非常接近MP34DB01的實(shí)際測量頻響。

圖4– MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)頻響仿真結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果