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、智能手機等消費電子產(chǎn)品。不過(guò)，這些產(chǎn)品的麥克風(fēng)聲孔通常隱藏在產(chǎn)品內部，因此，設備廠(chǎng)商必須在外界與麥克風(fēng)之間設計一個(gè)聲音路徑，以便將聲音信號傳送到MEMS麥克風(fēng)振膜。這條聲音路徑的設計對系統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作用，構建系統總體頻響。此外，聲音路徑材質(zhì)的聲阻抗也會(huì )影響頻響。若想準確預測聲學(xué)設計的性能如何，需要建立聲音路徑模型，使用COMSOL等專(zhuān)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。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成的結構在受到聲波激勵時(shí)會(huì )產(chǎn)生聲學(xué)諧振。當我們對著(zhù)空瓶的瓶嘴上方吹氣時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種諧振現象。這種結構叫做 Helmholtz諧振器，是以該現象的發(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(lè )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(cháng)度;VC是空腔的容積。該方程式假設諧振器是一個(gè)空腔和一條橫截面均等的管道相連組成的簡(jiǎn)單結構。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)驗才能精確地預測聲學(xué)設計的總體性能。
在本文內，通過(guò)改變麥克風(fēng)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(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。實(shí)驗結果讓設計人員能夠預先掌握這些參數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決定的：傳感器振膜前側和后側之間通風(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MEMS麥克風(fēng)，當麥克風(fēng)的靈敏度降至低頻然后再上升到高頻時(shí)，因為Helmholtz諧振的原因，頻響曲線(xiàn)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。
圖 2 – 意法半導體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)驗結果描述了意法半導體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，在仿真結束后，將在所有有用點(diǎn)采集的數據繪成圖形。
圖 3 –MP34DB01和MP34DT01 MEMS麥克風(fēng)的聲室
MP34DB01麥克風(fēng)仿真結果證明，頻響曲線(xiàn)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，這是因為Helmholtz諧振的中心頻率很高。該仿真結果非常接近MP34DB01的實(shí)際測量頻響。
圖 4 – MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)頻響仿真結果和實(shí)際測量結果
密封圈厚度對頻響的影響
麥克風(fēng)密封圈是在麥克風(fēng)聲孔與產(chǎn)品外殼聲孔之間起到氣密作用。在安裝一個(gè)麥克風(fēng)密封圈后，聲孔至麥克風(fēng)前室長(cháng)度被延長(cháng)，導致頻響發(fā)生變化。下面的仿真實(shí)驗是將長(cháng)度不同但直徑固定(400μm)的圓管置于麥克風(fēng)聲孔上，評估密封圈厚度對頻響的影響程度。
圖 5 – MP34DT01頻響與密封圈厚度關(guān)系
從仿真實(shí)驗中不難看出，增加一個(gè)密封圈會(huì )破壞頻響性能。在增加密封圈(如果是下聲孔麥克風(fēng)，還要增加一個(gè)印刷電路板)后，實(shí)際聲孔長(cháng)度被延長(cháng)，導致諧振頻率降低，高頻部分的靈敏度提高。更厚的密封圈將會(huì )提高諧振器瓶頸長(cháng)度，導致諧振頻率降低，高頻響應性能變差。
密封圈內徑對頻響的影響
下一個(gè)仿真實(shí)驗是評估內徑不同但厚度固定(2mm)的密封圈對頻響的影響。圖6所示是使用不同內徑密封圈的仿真實(shí)驗結果。
圖 6 – MP34DT01頻響與密封圈內徑關(guān)系
這些仿真數據表明，增加麥克風(fēng)密封圈內徑可提高諧振頻率，提升總體頻響性能。
聲音路徑形狀對頻響的影響
到此，仿真結果符合求解Helmholtz諧振方程式獲得的預測結果。下面的仿真實(shí)驗討論聲音路徑形狀變化對頻響的影響，這項預測難度很大。圖 7(a)所示結構是一個(gè)長(cháng)4mm、直徑600μm的簡(jiǎn)易聲音路徑，其它仿真實(shí)驗都以這個(gè)簡(jiǎn)單結構為基準。為了模擬密封圈、產(chǎn)品外殼聲孔和印刷電路板聲孔的寬度和形狀的變化，仿真實(shí)驗增加了長(cháng)度、半徑和形狀不同的腔體，聲音路徑變得非常復雜。
圖 7 – 聲音路徑形狀變化
圖 8 – MP34DB01 在不同聲音路徑形狀時(shí)的頻響
密封圈材質(zhì)對頻響的影響
到此為止所做的全部仿真實(shí)驗都是集中在聲音路徑形狀對頻響的影響，并在所有路徑表面應用了聲音硬邊界條件。下面的仿真實(shí)驗討論密封圈聲阻抗對頻響的影響。如圖9所示，本實(shí)驗對聲孔(黃)、傳感器腔體(粉)和傳感器振膜(綠)的表面應用適合的聲阻抗，而藍色表面的聲阻抗是變化的。某一種材質(zhì)的聲阻抗是指該材質(zhì)的密度與穿過(guò)該材質(zhì)的聲速的乘積 (Z = ρ·c)。密封圈通常由橡膠或其它彈性材料制成，而典型的產(chǎn)品外殼材質(zhì)通常是塑料、鋁或鋼。
圖 9 – 聲音路徑表面
圖 10 – 密封圈材質(zhì)對諧振峰值振幅的影響
因為諧振頻率是由聲音路徑的形狀決定的，雖然改變密封圈的聲阻抗不會(huì )影響諧振頻率，但是會(huì )影響諧振 Q值。盡管聲音路徑保持連續諧振，但是質(zhì)地更柔軟的密封圈可減弱諧振，降低其在諧振頻率附近的影響。與采用聲音硬邊界條件的實(shí)驗結果相比，采用鐵表面材料的聲孔大幅降低了頻響振幅峰值，這表明，使用聲音硬邊界條件得出的測試結果的嚴峻性不切實(shí)際。
案例分析 – 分析平板電腦下聲孔麥克的整個(gè)聲音路徑
圖11所示是一個(gè)平板電腦的下聲孔麥克的聲音路徑。在這個(gè)示例中，下聲孔麥克裝于印刷電路板上，印刷電路板與產(chǎn)品外殼之間插入一個(gè)氣密性軟橡膠密封圈。
圖 11 – 平板麥克的聲音路徑設計和聲腔3D模型
本仿真實(shí)驗對聲音路徑所有組件都設定了適合的聲學(xué)特性。圖 11(b) 所示是11(a)結構的聲音路徑3D模型。本仿真實(shí)驗所有材質(zhì)在消費電子產(chǎn)品中都較為常用：FR4印刷電路板、軟橡膠密封圈、鋁制機身。
圖 12 – 平板麥克聲音路徑仿真結果
圖 12(a)所示是諧振峰值頻率大約21.6 kHz的聲音路徑的頻響曲線(xiàn)，圖12(b) 所示是在21.6 kHz諧振頻率下氣壓在聲音路徑內的分布情況。 在該諧振頻率下，MEMS振膜承受的氣壓最大。
結論
下面的指導原則有助于麥克風(fēng)聲音路徑的頻響優(yōu)化。
● 聲音路徑盡量最短、最寬。將聲音路徑外部入口加寬有助于改進(jìn)頻響，而將聲音路徑的麥克風(fēng)端加寬，則會(huì )降低頻響性能。
● 設法不讓聲音路徑內存在任何空腔。假如無(wú)法避免，則盡量讓空腔遠離麥克風(fēng)聲孔。
● 聲音路徑彎曲似乎對頻響影響不大。
● 質(zhì)地柔軟的密封圈材料可弱化諧振，提高頻響性能。 |
