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昕影浅谈麦克风

麦克风,学名为传声器,由英语microphone(送话器)翻译而来,也称话筒,微音器。麦克风是将声音信号转换为电信号能量转换器件。分类有动圈式、电容式、驻极体和最近新兴的硅微传声器,此外还有液体传声器和激光传声器。大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风,其的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜

麦克风根据其换能原理可划分为电动麦克风和电容麦克风两种。其中电动类又可细分为动圈麦克风铝带麦克风 

常见的商用麦克风类型有电容式麦克风晶体麦克风碳质麦克风以及动态麦克风。常用的电容式麦克风使用的能量源有两种:直流偏置电源和驻极体薄膜。这两种电容式麦克风和晶体麦克风都是将声能转换为电能,产生一个变化的电场。碳质麦克风采用直流电压源,通过声音振动改变其电阻,从而将声信号转换为电信号。电容式、晶体以及碳质麦克风都产生一个与敏感膜位移成正比的电压信号,而动态麦克风则产生一个与敏感膜的振动的振动速率成正比的电压信号。动态麦克风采用永磁体为能量源,基于电感效应将声能转换为电能。

大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风(ECM),这种技术已经有几十年的历史。ECM 的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜。与ECM的聚合材料振动膜相比,MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定,不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强,MEMS麦克风可承受260℃的高温回流焊,而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小,这甚至可以节省制造过程中的音频调试成本。目前,集成电路工艺正越来越广泛地被应用在传感器及传感器接口集成电路的制造中。这种微制造工艺具有精确、设计灵活、尺寸微型化、可与信号处理电路集成、低成本、大批量生产的优点。早期微型麦克风是基于压阻效应的,有研究报道称,制作了以(1×1)cm2、2μm厚的多晶硅膜为敏感膜的麦克风。但是,在敏感膜内不存在应力的情况下,这样大并且很薄的多晶硅膜的一阶谐振频率将低于300Hz。一阶谐振频率在这样低的频段范围内将导致麦克风在听觉频率范围内的频率响应极不均匀(灵敏度的变化量大于40dB),这对于麦克风应用是不可接受的。当敏感膜内存在张应力时,其谐振频率将增大,却以牺牲灵敏度为代价。当然,可以通过调整敏感膜的尺寸来获得更高的一阶谐振频率,但是这仍将减小灵敏度。由此可见,压阻式方案并不适于微型麦克风的制造 

一种可行的解决方案就是采用电容式方案,来制造微型麦克风。这一方法的优点就是:在集成电路制造工艺中使用的所有材料都可用于传感器的制造。但是采用单芯片工艺制造微麦克风有相当难度,因为在两个电容极板之间的空气介质只能有很小的间隔。而且,由于尺寸的限制,在一些应用场合偏置电压很难满足。基于上述问题,对于电容式麦克风的研究一直没有间断过 

相比传统的驻极体麦克风,微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)麦克风拥有体积小、耐热性好、一致性好、稳定性好、可靠性高、抗射频干扰等优势,还可以输出数字信号并有利于智能化发展,其市场规模在近10年保持快速增长的势头,各种新兴应用层出不穷,从智能手机智能音箱,再到真无线立体声(true wireless stereo,TWS)耳机。


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