新一代麥克風(fēng)為新功能，更高質(zhì)量的音頻和更低的成本開辟了機(jī)會(huì)。

使用與集成電路相同的CMOS硅技術(shù)，微機(jī)械（MEMS）器件是比傳統(tǒng)麥克風(fēng)更小，更可靠，可以表面安裝。這樣可以將麥克風(fēng)放置在許多不同的位置，開啟了諸如降噪功能等新功能，并允許安裝麥克風(fēng)陣列以檢測(cè)和指導(dǎo)音頻流的方向。

Micromachining使用變化標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)在硅片中構(gòu)建物理結(jié)構(gòu)而不是電子結(jié)構(gòu)。這些可以是麥克風(fēng)中的振膜或用于加速度計(jì)和陀螺儀的運(yùn)動(dòng)傳感器的不同設(shè)計(jì)，并且可以使用更具成本效益的舊晶圓廠。

使用CMOS技術(shù)還可以在同一芯片上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口，增加集成度并降低系統(tǒng)功耗，因?yàn)樾酒叫酒倪B接和整體材料清單都很少。隨著可靠性的提高，這些因素促使該技術(shù)進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，特別是在移動(dòng)電話中。 MEMS方法的低調(diào)和表面貼裝能力意味著麥克風(fēng)可以輕松安裝在設(shè)計(jì)的任何地方，并使終端設(shè)備更薄。

這些設(shè)備在移動(dòng)設(shè)備中大量使用終端，筆記本電腦和筆記本電腦以及IP語音終端，數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼相機(jī)。此外，它們?cè)絹碓蕉嗟赜糜谠谟螒蚝吞摂M現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備中提供語音控制，甚至用于工業(yè)系統(tǒng)，以及噪聲消除甚至防盜系統(tǒng)。

噪聲消除

噪聲消除是一種越來越有趣的應(yīng)用，它通過MEMS麥克風(fēng)和與它們并行運(yùn)行的信號(hào)處理成為可能。表面貼裝MEMS麥克風(fēng)可以放置在關(guān)鍵位置，以捕獲噪聲的頻率分布。然后，信號(hào)處理將輪廓反轉(zhuǎn)并使其偏移，從而提供噪聲分布的“相反”。然后通過揚(yáng)聲器輸出，以消除背景噪聲并提供更清晰的輸出或更少的混淆輸入。 MEMS麥克風(fēng)使這種方法更容易實(shí)現(xiàn)，并且在更廣泛的應(yīng)用中更具成本效益。

一旦限制使用昂貴的耳機(jī)并降低豪華車的噪音，它現(xiàn)在被用于制造移動(dòng)設(shè)備電話交談更清晰。這推動(dòng)了MEMS麥克風(fēng)的數(shù)量增加，降低了成本并開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)在可以使用噪聲消除，其中清晰的輸入和輸出對(duì)于安全至關(guān)重要，包括語音控制應(yīng)用。在工業(yè)設(shè)計(jì)中使用噪聲消除功能可以實(shí)現(xiàn)更易于使用的創(chuàng)新用戶界面，同時(shí)也可以幫助他們更安全。使用波束成形（見下文）可以定位用戶的語音，以提供更高的性能。

MEMS麥克風(fēng)還可以幫助工業(yè)設(shè)計(jì)中的診斷應(yīng)用。麥克風(fēng)體積小，易于放置，可以在難以觸及的區(qū)域使用，提供有關(guān)工業(yè)系統(tǒng)健康狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過監(jiān)控聲音的頻率，可以提前獲取設(shè)備的潛在問題并進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，從而節(jié)省時(shí)間和金錢，并最大限度地降低設(shè)備在沒有警告的情況下發(fā)生故障時(shí)可能發(fā)生的昂貴停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

防盜

對(duì)于防盜應(yīng)用，可以通過多種方式使用MEMS麥克風(fēng)。顯而易見的是，一旦一個(gè)單元被盜并且防盜系統(tǒng)被激活，就可以捕獲環(huán)境的聲音，并且與無線發(fā)射器耦合，發(fā)送到網(wǎng)站或移動(dòng)電話，并且通常與位置檢測(cè)系統(tǒng)耦合。這可以是小而不顯眼的，并且可以提供關(guān)于盜竊的重要信息。在許多情況下，它也與攝像機(jī)的輸出耦合，雖然這需要更多的帶寬。

然而，MEMS麥克風(fēng)的小尺寸和增加的靈敏度也允許它們用于運(yùn)動(dòng)傳感器在防盜系統(tǒng)中。一旦防盜系統(tǒng)被激活，任何移動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生特定頻率的噪聲，這些噪聲由麥克風(fēng)拾取，通過信號(hào)處理過濾并觸發(fā)可能是警報(bào)或向移動(dòng)電話或網(wǎng)頁發(fā)送消息的警報(bào)。使用MEMS麥克風(fēng)陣列可提供安全算法可用于防止“誤報(bào)”觸發(fā)并使系統(tǒng)更準(zhǔn)確的方向信息。 MEMS麥克風(fēng)的較低成本和易于設(shè)計(jì)允許這樣的系統(tǒng)。 STMicroelectronics多年來一直專注于MEMS，擁有專門用于該技術(shù)的8英寸晶圓生產(chǎn)線，生產(chǎn)麥克風(fēng)以及加速度計(jì)和其他MEMS傳感器。

MP34DB01是一款超緊湊，低端的電源，全向，數(shù)字MEMS麥克風(fēng)，帶有電容式傳感元件和具有立體聲操作功能的IC接口。 ST的MEMS麥克風(fēng)使用正在申請(qǐng)專利的技術(shù)，允許設(shè)計(jì)人員將麥克風(fēng)膜放置在靠近封裝頂部的聲孔的位置，性能大幅提升，不會(huì)造成任何損失。

圖1：STMicroelectronics的USB評(píng)估板中的MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)。

能夠檢測(cè)聲波的傳感元件采用專業(yè)制造硅微加工工藝專用于生產(chǎn)音頻傳感器。該接口采用CMOS工藝制造，允許設(shè)計(jì)專用電路，能夠以PDM格式從外部提供數(shù)字信號(hào)。

MP34DB01的聲學(xué)過載點(diǎn)為120 dB SPL，信噪比為62.6 dB，靈敏度為-26 dB FS，采用底部端口表面貼裝EMI屏蔽封裝，并保證可在-30°C至+ 85°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。它采用單電源供電，PDM單比特輸出，可選擇立體聲配置。

這符合語音識(shí)別系統(tǒng)對(duì)語音控制軟件和電子助手應(yīng)用的需求。新的消費(fèi)類應(yīng)用，在不增加主處理器工作負(fù)載的情況下提高音頻清晰度是關(guān)鍵因素。

除了傳統(tǒng)電容式麥克風(fēng)的尺寸，穩(wěn)健性和低功耗優(yōu)勢(shì)之外，MEMS麥克風(fēng)還可以改進(jìn)多麥克風(fēng)應(yīng)用中的音質(zhì)。這種麥克風(fēng)陣列通過MEMS設(shè)計(jì)的小外形尺寸，靈敏度匹配和頻率響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)有源噪聲和回聲消除，以及波束成形，以幫助隔離聲音及其位置。

與此同時(shí)，Knowles Acoustics的SPU0409HD5H基于該公司的SiSonic硅基技術(shù)。 MEMS設(shè)計(jì)允許更小的尺寸，更小的外形和安裝選項(xiàng)，更高的輸出容量以及消除模擬噪聲的新數(shù)字音頻選項(xiàng)。對(duì)于制造商而言，表面貼裝設(shè)計(jì)消除了離線子組件的生產(chǎn)成本，而麥克風(fēng)也可以與專利的IntelliSonic軟件和特殊的移植設(shè)計(jì)集成，以提供精確定制的聲音。

圖2：Knowles Acoustics的SiSonic MEMS麥克風(fēng)。

硅結(jié)構(gòu)提供高度的制造可重復(fù)性和穩(wěn)定（可預(yù)測(cè)）的聲學(xué)性能，同時(shí)獲得專利的'自由漂浮“隔膜不受傳統(tǒng)駐極體電容式麥克風(fēng)隔膜中可變機(jī)械張力引起的麥克風(fēng)靈敏度變化的影響。同時(shí)，低質(zhì)量和小振膜產(chǎn)生出色的振動(dòng)靈敏度性能。

ADI公司將其音頻信號(hào)處理專業(yè)知識(shí)與其iMEMS技術(shù)相結(jié)合，為一系列具有信噪比的麥克風(fēng)提供比率（SNR）為62 dB A加權(quán)，電源抑制比為70 dBV，集成高通濾波。這意味著設(shè)備制造商可以開發(fā)便攜式電子設(shè)備，提供更清晰，更清晰的語音質(zhì)量，而不會(huì)產(chǎn)生其他具有較低信噪比的麥克風(fēng)產(chǎn)生的背景噪音/嘶嘶聲。

ADMP401是一款高品質(zhì)，高性能，低功耗，模擬輸出，底部端口的全向MEMS麥克風(fēng)。它將MEMS麥克風(fēng)元件與阻抗轉(zhuǎn)換器和輸出放大器相結(jié)合，為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)用提供足夠的靈敏度。 ADMP401具有高SNR和扁平寬帶頻率響應(yīng)，具有高清晰度的自然聲音和低電流消耗，可為便攜式應(yīng)用提供長(zhǎng)電池壽命。

圖3：ADI公司的ADMP401 MEMS麥克風(fēng)。

ADI公司看到的關(guān)鍵應(yīng)用之一是波束成形，其中定向波束陣列可用于檢測(cè)噪聲方向并應(yīng)用改進(jìn)防盜系統(tǒng)中的噪聲消除。

所有MEMS麥克風(fēng)都具有全向拾音響應(yīng)，這意味著它們對(duì)來自任何方向的聲音響應(yīng)相同。可以在陣列中配置多個(gè)麥克風(fēng)以形成方向響應(yīng)或波束圖案。波束形成麥克風(fēng)陣列可以設(shè)計(jì)為對(duì)來自一個(gè)或多個(gè)特定方向的聲音比來自其他方向的聲音更敏感。

麥克風(fēng)匹配

麥克風(fēng)光束發(fā)射器的良好性能要求該陣列的不同元件的靈敏度和頻率響應(yīng)緊密匹配。不同陣列元素之間的這兩個(gè)參數(shù)的差異導(dǎo)致陣列的期望響應(yīng)的破壞?？罩悼赡懿荒敲醇怃J，陣列的方向性可能沒有正確定向。當(dāng)MEMS麥克風(fēng)用于波束成形陣列時(shí)，它們的靈敏度和頻率響應(yīng)需要緊密匹配。

對(duì)SNR的影響取決于陣列配置和處理，并可能導(dǎo)致增加或降低不同陣列拓?fù)涞南到y(tǒng)SNR。選擇具有最高SNR規(guī)格的麥克風(fēng)非常重要，以最大限度地提高整體系統(tǒng)性能。

在軸上，寬邊波束形成器的輸出類似于簡(jiǎn)單地將兩個(gè)相同的信號(hào)相加以改善SNR。在寬邊求和陣列中，來自多個(gè)麥克風(fēng)的內(nèi)部或“自我”噪聲以功率項(xiàng)加在一起，隨著麥克風(fēng)數(shù)量的增加，噪聲增加3 dB。

此案例演示隨著信號(hào)電平加倍，波束成形在提高性能方面的優(yōu)勢(shì)在于增加了6 dB。同時(shí)，噪聲總和使整體電平增加3 dB，從而使SNR提升3 dB。

麥克風(fēng)差分陣列波束形成器的軸上頻率響應(yīng)是頻率為麥克風(fēng)間距的兩倍（通常約為4.1 kHz）的頻率為6 dB。在此頻率附近，陣列的信號(hào)輸出與其噪聲之間的差異高于每個(gè)單獨(dú)的麥克風(fēng)，但所有頻率上的信號(hào)/噪聲關(guān)系更難以計(jì)算。

放置和高度

陣列中麥克風(fēng)的聲音端口之間的距離只是構(gòu)建麥克風(fēng)陣列時(shí)應(yīng)考慮的一條路徑。盡管MEMS麥克風(fēng)是非常薄的器件，但在陣列設(shè)計(jì)中仍應(yīng)考慮一些非零高度。例如，ADI公司MEMS麥克風(fēng)振膜的聲學(xué)中心位于聲音端口上方0.57 mm處。除了安裝麥克風(fēng)的PCB厚度外，在選擇麥克風(fēng)之間的間距時(shí)也應(yīng)考慮此距離。如果所有麥克風(fēng)以相同的方式安裝在具有相同聲音端口長(zhǎng)度的同一PCB上，那么這不是問題。

高級(jí)波束成形

具有不同數(shù)量麥克風(fēng)的陣列和不同的配置是可能的，并且信號(hào)處理算法中的復(fù)雜程度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出簡(jiǎn)單的算法。更先進(jìn)的算法可以用于語音跟蹤和波束控制，即使是少量的麥克風(fēng)。

這里所覆蓋的陣列都是線性間隔的，但是更高級(jí)的高階波束形成器可以用不同的間距構(gòu)建在陣列中的每對(duì)麥克風(fēng)之間。這種配置改變了不同麥克風(fēng)之間的零和混疊頻率以及信噪比，并可能導(dǎo)致陣列噪聲更小，可用頻率響應(yīng)更寬。

結(jié)論

使用成熟且經(jīng)濟(jì)高效的CMOS技術(shù)構(gòu)建具有MEMS技術(shù)的麥克風(fēng)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的優(yōu)勢(shì)。 CMOS技術(shù)既可以降低成本，又可以高效制造，并且可以輕松地與信號(hào)處理接口，使系統(tǒng)更加有效。

較小的設(shè)備可以安裝在以前難以觸及的區(qū)域，提供可以診斷的數(shù)據(jù)節(jié)省時(shí)間和金錢。噪聲消除可用于更多應(yīng)用，為新領(lǐng)域帶來可靠的語音控制。能夠在陣列中安裝多個(gè)麥克風(fēng)，可以開發(fā)出創(chuàng)新的波束成形技術(shù)，鎖定聲音或用戶的聲音，以提高系統(tǒng)或界面的性能。