MEMS麦克风的声学设计

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前言
       
        以高性能和小尺寸为特色的MEMS麦克风特别适用于平板电脑、笔记本电脑、智能手机等消费电子产品。不过，这些产品的麦克风声孔通常隐藏在产品内部，因此，设备厂商必须在外界与麦克风之间设计一个声音路径，以便将声音信号传送到MEMS麦克风振膜。这条声音路径的设计对系统总体性能的影响很大。
       
        下图是一个典型的平板电脑的麦克风声音路径：
       
       
        图1–典型应用示例
       
        外界与麦克风振膜之间的声音路径由产品外壳、声学密封圈、印刷电路板和麦克风组成，这条声音路径起到波导作用，构建系统总体频响。此外，声音路径材质的声阻抗也会影响频响。若想准确预测声学设计的性能如何，需要建立声音路径模型，使用COMSOL等专业级仿真工具对声音路径的频响特性进行仿真实验。然而，本文为读者提供一些优化麦克风声音路径的基本原则。
       
        Helmholtz谐振
       
        狭窄的传声孔与空心腔室相连构成的结构在受到声波激励时会产生声学谐振。当我们对着空瓶的瓶嘴上方吹气时，就会发生这种谐振现象。这种结构叫做Helmholtz谐振器，是以该现象的发明者Hermann von Helmholtz命名的。Helmholtz利用谐振频率不同的谐振器识别音乐等复杂声音内的频率成份。
       
        Helmholtz谐振的中心频率是由下面的程式确定：
       
       
        其中c是空气速度；AH是声孔的横截面积；LH是声孔的长度；VC是空腔的容积。该方程式假设谐振器是一个空腔和一条横截面均等的管道相连组成的简单结构。如果麦克风的声音路径的横截面积和材质不同，则描述声音路径的声波特性的方程式要复杂很多。因此，必须对整个声音路径进行声波特性仿真实验才能精确地预测声学设计的总体性能。
       
        在本文内，通过改变麦克风密封圈的厚度和内径、产品外壳声孔直径、印刷电路板声孔直径、声音路径弯折和路径材质的声阻抗，我们对不同的声音路径进行了频响仿真实验。实验结果让设计人员能够预先掌握这些参数变化对声音路径总体性能的影响程度。
       
        麦克风的频响
       
        MEMS麦克风低频频响是由以下主要参数决定的：传感器振膜前侧和后侧之间通风孔的尺寸；后室的容积。而MEMS麦克风高频频响则是由麦克风前室和声孔产生的Helmholtz谐振决定的。
       
        对于大多数MEMS麦克风，当麦克风的灵敏度降至低频然后再上升到高频时，因为Helmholtz谐振的原因，频响曲线大体相同。但是，不同的MEMS麦克在传感器设计、封装尺寸和结构方面差异很大，所以总体频响特别是高频频响的差异很大。意法半导体的多数麦克风将传感器直接置于声孔上面，以最大限度地降低前室容积，确保优异的高频响应。
       
       
        图2–意法半导体MP34DT01上置声孔麦克风及其声室的X光影像
       
        下面的仿真实验结果描述了意法半导体MP34DB01 MEMS麦克风本身的频响，该仿真工具在声音路径模型的每个离散点上求解该方程式，在仿真结束后，将在所有有用点采集的数据绘成图形。
       
       
        图3–MP34DB01和MP34DT01 MEMS麦克风的声室
       
        MP34DB01麦克风仿真结果证明，频响曲线在高频部分非常平坦，在20 kHz时，典型灵敏度上升幅度大约+3dB，这是因为Helmholtz谐振的中心频率很高。该仿真结果非常接近MP34DB01的实际测量频响。
       
       
        图4– MP34DB01 MEMS麦克风频响仿真结果和实际测量结果
        密封圈厚度对频响的影响
       
        麦克风密封圈是在麦克风声孔与产品外壳声孔之间起到气密作用。在安装一个麦克风密封圈后，声孔至麦克风前室长度被延长，导致频响发生变化。下面的仿真实验是将长度不同但直径固定（400μm）的圆管置于麦克风声孔上，评估密封圈厚度对频响的影响程度。
       
       
        图5– MP34DT01频响与密封圈厚度关系
       
        从仿真实验中不难看出，增加一个密封圈会破坏频响性能。在增加密封圈（如果是下声孔麦克风，还要增加一个印刷电路板）后，实际声孔长度被延长，导致谐振频率降低，高频部分的灵敏度提高。更厚的密封圈将会提高谐振器瓶颈长度，导致谐振频率降低，高频响应性能变差。
       
        密封圈内径对频响的影响
       
        下一个仿真实验是评估内径不同但厚度固定（2mm）的密封圈对频响的影响。图6所示是使用不同内径密封圈的仿真实验结果。
       
       
        图6– MP34DT01频响与密封圈内径关系
       
        这些仿真数据表明，增加麦克风密封圈内径可提高谐振频率，提升总体频响性能。
       
        声音路径形状对频响的影响
       
        到此，仿真结果符合求解Helmholtz谐振方程式获得的预测结果。下面的仿真实验讨论声音路径形状变化对频响的影响，这项预测难度很大。图7（a）所示结构是一个长4mm、直径600μm的简易声音路径，其它仿真实验都以这个简单结构为基准。为了模拟密封圈、产品外壳声孔和印刷电路板声孔的宽度和形状的变化，仿真实验增加了长度、半径和形状不同的腔体，声音路径变得非常复杂。
       
       
        图7–声音路径形状变化
       
       
        图8– MP34DB01在不同声音路径形状时的频响
       
       
        密封圈材质对频响的影响
       
        到此为止所做的全部仿真实验都是集中在声音路径形状对频响的影响，并在所有路径表面应用了声音硬边界条件。下面的仿真实验讨论密封圈声阻抗对频响的影响。如图9所示，本实验对声孔（黄）、传感器腔体（粉）和传感器振膜（绿）的表面应用适合的声阻抗，而蓝色表面的声阻抗是变化的。某一种材质的声阻抗是指该材质的密度与穿过该材质的声速的乘积（Z =ρ。c）。密封圈通常由橡胶或其它弹性材料制成，而典型的产品外壳材质通常是塑料、铝或钢。
       
       
        图9–声音路径表面
       
       
        图10–密封圈材质对谐振峰值振幅的影响
       
        因为谐振频率是由声音路径的形状决定的，虽然改变密封圈的声阻抗不会影响谐振频率，但是会影响谐振Q值。尽管声音路径保持连续谐振，但是质地更柔软的密封圈可减弱谐振，降低其在谐振频率附近的影响。与采用声音硬边界条件的实验结果相比，采用铁表面材料的声孔大幅降低了频响振幅峰值，这表明，使用声音硬边界条件得出的测试结果的严峻性不切实际。
       
        案例分析–分析平板电脑下声孔麦克的整个声音路径
       
        图11所示是一个平板电脑的下声孔麦克的声音路径。在这个示例中，下声孔麦克装于印刷电路板上，印刷电路板与产品外壳之间插入一个气密性软橡胶密封圈。
       
       
        图11–平板麦克的声音路径设计和声腔3D模型
       
        本仿真实验对声音路径所有组件都设定了适合的声学特性。图11（b）所示是11（a）结构的声音路径3D模型。本仿真实验所有材质在消费电子产品中都较为常用：FR4印刷电路板、软橡胶密封圈、铝制机身。
       
       
        图12–平板麦克声音路径仿真结果
       
        图12（a）所示是谐振峰值频率大约21.6 kHz的声音路径的频响曲线，图12（b）所示是在21.6 kHz谐振频率下气压在声音路径内的分布情况。在该谐振频率下，MEMS振膜承受的气压最大。
       
        结论
       
        下面的指导原则有助于麦克风声音路径的频响优化。
       
        ●声音路径尽量最短、最宽。将声音路径外部入口加宽有助于改进频响，而将声音路径的麦克风端加宽，则会降低频响性能。
       
        ●设法不让声音路径内存在任何空腔。假如无法避免，则尽量让空腔远离麦克风声孔。
       
        ●声音路径弯曲似乎对频响影响不大。
       
        ●质地柔软的密封圈材料可弱化谐振，提高频响性能。