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麥克風(fēng)工作原理
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2014/8/1 11:25:00
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一切都在不知不覺(jué)之間悄悄地改變著(zhù)。就連麥克風(fēng)這樣一個(gè)不起眼的小零件,也正在悄無(wú)聲息地演化著(zhù)。近幾年來(lái),在手機等高端應用中,傳統的駐極體電容麥克風(fēng)正在被MEMS器件所取代。
麥克風(fēng)簡(jiǎn)史
       麥克風(fēng) ,學(xué)名為傳聲器,由Microphone翻譯而來(lái)。傳聲器是將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器件,也稱(chēng)作話(huà)筒或微音器。

       麥克風(fēng)的歷史可以追溯到19世紀末,貝爾(Alexander Graham Bell)等科學(xué)家致力于尋找更好的拾取聲音的辦法,以用于改進(jìn)當時(shí)的最新發(fā)明——**。期間他們發(fā)明了液體麥克風(fēng)和碳粒麥克風(fēng),這些麥克風(fēng)效果并不理想,只是勉強能夠使用。

       二十世紀,麥克風(fēng)由最初通過(guò)電阻轉換聲電發(fā)展為電感、電容式轉換,大量新的麥克風(fēng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái),這其中包括鋁帶、動(dòng)圈等麥克風(fēng),以及當前廣泛使用的電容麥克風(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。
駐極體麥克風(fēng)
      目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的麥克風(fēng)主要有動(dòng)圈式、電容式、駐極體和最近新興的硅微傳聲器,此外還有液體傳聲器和激光傳聲器等。動(dòng)圈傳聲器音質(zhì)較好,但體積龐大。駐極體傳聲器體積小巧,成本低廉,在**、手機等設備中廣泛使用。  基于CMOS MEMS(Micro Electro Meganetic System,微機電系統)技術(shù)的硅麥克風(fēng)體積更小,特別適合高性?xún)r(jià)比的應用。
噪音,麥克風(fēng)的難題
       作為音頻信號輸入的麥克風(fēng),一直以來(lái)受噪聲問(wèn)題的困擾。  
       麥克風(fēng)的噪音源來(lái)自若干個(gè)方面:偏置電壓波動(dòng)引起的電子噪聲,FET噪聲,板級噪聲,振膜的聲音自噪聲,以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁(EM)場(chǎng)和射頻(RF)場(chǎng)。詳述如下:
      (1)當安置有ECM(Electret Condenser Microphone,駐極體電容麥克風(fēng))的系統靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(shí)(譬如手機),功率控制產(chǎn)生的RF信號的音頻成份可通過(guò)麥克風(fēng)解調,并轉換為可聞?dòng)谝纛l路徑的聲音信號。
      (2)ECM信號放大電路中由FET的高阻抗柵極來(lái)調校發(fā)射功率放大器的門(mén)限(在音頻頻段內出現)并放大信號。這種信號一旦進(jìn)入音頻頻段,是很難消除的。
      (3)電源電壓波動(dòng)也是音頻系統中最常見(jiàn)的噪音源。作為低敏感度的ECM,它的輸出是一個(gè)10mVrms數量級的很小的模擬信號。由于ECM沒(méi)有任何電源抑制能力,很小的電源電壓波動(dòng)就將導致間歇性噪音。
      (4)ECM還帶來(lái)了機械設計方面的挑戰。因為ECM不僅能夠檢測聲音信號,還能檢測出機械振動(dòng),并最終把振動(dòng)轉換為低頻聲音信號,這樣,當ECM被置于振動(dòng)環(huán)境(比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上)時(shí),振動(dòng)將成為音頻系統的主要噪音源。
MEMS麥克風(fēng)的優(yōu)勢
      MEMS麥克風(fēng)是利用硅薄膜來(lái)檢測聲壓的,MEMS麥克風(fēng)能夠在芯片上集成一個(gè)模數轉換器,形成具有數字輸出的麥克風(fēng)。由于大多數便攜式應用最終都會(huì )把麥克風(fēng)的模擬輸出轉換為數字信號來(lái)處理,因此系統架構可以設計成完全數字式的。這樣一來(lái),就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪音的模擬信號,并簡(jiǎn)化了總體設計。
貼片式封裝的MEMS麥克風(fēng)
       與傳統的ECM麥克風(fēng)相比,MEMS麥克風(fēng)具有以下優(yōu)勢:
       1、制作工藝具有很好的重復性和一致性,從而保證每顆硅麥克風(fēng)有相同的優(yōu)秀表現。
       2、聲壓電平高,且芯片內部一般有預放大電路,因此靈敏度很高。
       3、頻響范圍寬:10010KHZ
       4、失真。THD<1%(at 1KHZ,500mV p-p)Total Harmonic Distortion,總諧波失真
     5、振動(dòng)敏感度低:<1dB
        6、優(yōu)異的抗EMIRFI特性
    7、電流消耗低:150μA
       8、耐潮濕環(huán)境和溫度沖擊。
    9、耐高溫,能夠使用波峰焊。
     10、能夠經(jīng)受振動(dòng)、跌落、撞擊等機械力和溫度沖擊。
       MEMS麥克風(fēng)具有半導體產(chǎn)品的種種優(yōu)點(diǎn),解決了ECM所無(wú)法解決的許多困難。其中最為重要的一個(gè)特性是,MEMS麥克風(fēng)容易實(shí)現數字化,從而削除了傳輸噪音。MEMS麥克風(fēng)用途廣泛,目前主要應用在手機中,數碼相機、MP3播放器和PDA、耳機和助聽(tīng)器等領(lǐng)域也正在從ECM向MEMS過(guò)渡。
        MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)潛力巨大。據Information Network的研究報告,MEMS麥克風(fēng)在2005年時(shí)只能取得5%的整體市場(chǎng)率,但到2008年,預計在30億支麥克風(fēng)市場(chǎng)中MEMS產(chǎn)品占據15%,復合成長(cháng)率達240%。因此,世界上很多國家和地區都投入到新一輪競爭之中,美國Knowles Acoustics(樓氏聲學(xué))的MEMS麥克風(fēng)自2003年面世以來(lái),已經(jīng)銷(xiāo)售了數億片,占據了全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)95%的份額。
樓氏聲學(xué)公司出品的SiSonic貼片式MEMS麥克風(fēng)
    我國臺灣也有意急起直追,包括臺灣“工研院電子所”、美律、亞太優(yōu)勢、探微、日月光、菱生、矽品、天瀚等20余家揚聲器、麥克風(fēng)和其它電聲器件廠(chǎng)商,共同成立了“微電聲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”,以整合上、中、下游廠(chǎng)商,建立從電聲器件設計、器件制作/代工、器件封裝至系統模塊的完整產(chǎn)業(yè)鏈。
 
 
 
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