MEMS麥克風的聲學設計

　　前言

　　以高性能和小尺寸為特色的MEMS麥克風特別適用于平板電腦、筆記本電腦、智能手機等消費電子產(chǎn)品。不過，這些產(chǎn)品的麥克風聲孔通常隱藏在產(chǎn)品內部，因此，設備廠商必須在外界與麥克風之間設計一個聲音路徑，以便將聲音信號傳送到MEMS麥克風振膜。這條聲音路徑的設計對系統(tǒng)總體性能的影響很大。

　　下圖是一個典型的平板電腦的麥克風聲音路徑：

　　圖1–典型應用示例

　　外界與麥克風振膜之間的聲音路徑由產(chǎn)品外殼、聲學密封圈、印刷電路板和麥克風組成，這條聲音路徑起到波導作用，構建系統(tǒng)總體頻響。此外，聲音路徑材質的聲阻抗也會影響頻響。若想準確預測聲學設計的性能如何，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行仿真實驗。然而，本文為讀者提供一些優(yōu)化麥克風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成的結構在受到聲波激勵時會產(chǎn)生聲學諧振。當我們對著空瓶的瓶嘴上方吹氣時，就會發(fā)生這種諧振現(xiàn)象。這種結構叫做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雜聲音內的頻率成份。

　　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。該方程式假設諧振器是一個空腔和一條橫截面均等的管道相連組成的簡單結構。如果麥克風的聲音路徑的橫截面積和材質不同，則描述聲音路徑的聲波特性的方程式要復雜很多。因此，必須對整個聲音路徑進行聲波特性仿真實驗才能精確地預測聲學設計的總體性能。

　　在本文內，通過改變麥克風密封圈的厚度和內徑、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的聲阻抗，我們對不同的聲音路徑進行了頻響仿真實驗。實驗結果讓設計人員能夠預先掌握這些參數(shù)變化對聲音路徑總體性能的影響程度。

　　麥克風的頻響

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

　　對于大多數(shù)MEMS麥克風，當麥克風的靈敏度降至低頻然后再上升到高頻時，因為Helmholtz諧振的原因，頻響曲線大體相同。但是，不同的MEMS麥克在傳感器設計、封裝尺寸和結構方面差異很大，所以總體頻響特別是高頻頻響的差異很大。意法半導體的多數(shù)麥克風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。

　　圖2–意法半導體MP34DT01上置聲孔麥克風及其聲室的X光影像

　　下面的仿真實驗結果描述了意法半導體MP34DB01 MEMS麥克風本身的頻響，該仿真工具在聲音路徑模型的每個離散點上求解該方程式，在仿真結束后，將在所有有用點采集的數(shù)據(jù)繪成圖形。

　　圖3–MP34DB01和MP34DT01 MEMS麥克風的聲室

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

　　圖4– MP34DB01 MEMS麥克風頻響仿真結果和實際測量結果