1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 MEMS麥克風(fēng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用 導(dǎo)讀：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(jī)等消費(fèi)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(nèi)部，因此，設(shè)備廠(chǎng)商必須在外界與麥克風(fēng)之間設(shè)計(jì)一個(gè)聲音路徑，以便將聲音信號(hào)傳送到MEMS麥克風(fēng)振膜。這條聲音路徑的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)總體性能的影響很大。 下列圖是一個(gè)典型的平板電腦的麥克風(fēng)聲音路徑： 圖1 典型應(yīng)用例如 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(dǎo)作用，構(gòu)建系統(tǒng)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)聲學(xué)設(shè)計(jì)的性

2、能如何，需要建立聲音路徑模型，使用COMSOL等級(jí)仿真工具對(duì)聲音路徑的頻響特性開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)。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(gòu)成的構(gòu)造在受到聲波激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)諧振。當(dāng)我們對(duì)著空瓶的瓶嘴上方吹氣時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種諧振現(xiàn)象。這種構(gòu)造叫做 Helmholtz諧振器，是以該現(xiàn)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(shí)別音樂(lè)等復(fù)雜聲音內(nèi)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(zhǎng)度；VC是空腔

3、的容積。該方程式假設(shè)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)單構(gòu)造。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(fù)雜很多。因此，必須對(duì)整個(gè)聲音路徑開(kāi)展聲波特性仿真實(shí)驗(yàn)才能地預(yù)測(cè)聲學(xué)設(shè)計(jì)的總體性能。 在本文內(nèi)，通過(guò)改變麥克風(fēng)密封圈的厚度和內(nèi)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(duì)不同的聲音路徑開(kāi)展了頻響仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)先掌握這些參數(shù)變化對(duì)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(shù)決定的：傳感器振膜前側(cè)和后側(cè)之間通風(fēng)孔的尺寸；后室的容積。而MEMS麥克風(fēng)高頻頻

4、響則是由麥克風(fēng)前室和聲孔產(chǎn)生的Helmholtz諧振決定的。 對(duì)于大多數(shù)MEMS麥克風(fēng)，當(dāng)麥克風(fēng)的靈敏度降至低頻然后再上升到高頻時(shí)，因?yàn)镠elmholtz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(shè)計(jì)、封裝尺寸和構(gòu)造方面差異很大，所以總體頻響特別是高頻頻響的差異很大。意法半導(dǎo)體的多數(shù)麥克風(fēng)將傳感器直接置于聲孔上面，以限度地降低前室容積，確保優(yōu)異的高頻響應(yīng)。 圖 2 意法半導(dǎo)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(yàn)結(jié)果描述了意法半導(dǎo)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(jié)束后，將在所有

5、有用點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)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(jié)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?yàn)镠elmholtz諧振的中心頻率很高。該仿真結(jié)果非常接近MP34DB01的實(shí)際測(cè)量頻響。 圖 4 MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)頻響仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果 密封圈厚度對(duì)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(zhǎng)度被延長(zhǎng)，導(dǎo)致頻響發(fā)生變化。下面的仿真實(shí)驗(yàn)是將長(zhǎng)度不同但直徑固定（400m）的圓管置于麥克風(fēng)聲孔上，

6、評(píng)估密封圈厚度對(duì)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(yàn)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(zhǎng)度被延長(zhǎng)，導(dǎo)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(zhǎng)度，導(dǎo)致諧振頻率降低，高頻響應(yīng)性能變差。 密封圈內(nèi)徑對(duì)頻響的影響 下一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)是評(píng)估內(nèi)徑不同但厚度固定(2mm)的密封圈對(duì)頻響的影響。圖6所示是使用不同內(nèi)徑密封圈的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖 6 MP34DT01頻響與密封圈內(nèi)徑關(guān)系 這些仿真數(shù)據(jù)說(shuō)明，增加麥克風(fēng)密封圈內(nèi)徑可提高諧振頻率，提升總體頻響性能。 聲音路徑形狀

7、對(duì)頻響的影響 到此，仿真結(jié)果符合求解Helmholtz諧振方程式獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果。下面的仿真實(shí)驗(yàn)討論聲音路徑形狀變化對(duì)頻響的影響，這項(xiàng)預(yù)測(cè)難度很大。圖 7(a)所示構(gòu)造是一個(gè)長(zhǎng)4mm、直徑600m的簡(jiǎn)易聲音路徑，其它仿真實(shí)驗(yàn)都以這個(gè)簡(jiǎn)單構(gòu)造為基準(zhǔn)。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(yàn)增加了長(zhǎng)度、半徑和形狀不同的腔體，聲音路徑變得非常復(fù)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(duì)頻響的影響 到此為止所做的全部仿真實(shí)驗(yàn)都是集中在聲音路徑形狀對(duì)頻響的影響，并在所有路徑表面應(yīng)用了聲音硬邊界條件。下面的仿真實(shí)驗(yàn)討論密

8、封圈聲阻抗對(duì)頻響的影響。如圖9所示，本實(shí)驗(yàn)對(duì)聲孔（黃）、傳感器腔體（粉）和傳感器振膜（綠）的表面應(yīng)用適合的聲阻抗，而藍(lán)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 = 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(duì)諧振峰值振幅的影響 因?yàn)橹C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(xù)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(yàn)結(jié)果相比，采用鐵表面材料的

9、聲孔大幅降低了頻響振幅峰值，這說(shuō)明，使用聲音硬邊界條件得出的測(cè)試結(jié)果的嚴(yán)峻性不切實(shí)際。 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)例如中，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(shè)計(jì)和聲腔3D模型 本仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)聲音路徑所有組件都設(shè)定了適合的聲學(xué)特性。圖 11(b) 所示是11(a)構(gòu)造的聲音路徑3D模型。本仿真實(shí)驗(yàn)所有材質(zhì)在消費(fèi)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(jī)身。 圖 12 平板麥克聲音路徑仿真結(jié)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(nèi)的分布情況。 在該諧振頻率下，MEMS振膜承受的氣壓。 結(jié)論 下面的指導(dǎo)原則有助