来源：意法半导体
时间：2014-05-23
用于消费性电子的微机电系统(MEMS)麦克风，通常隐藏在产品内部，因此终端製造商必须尽可能缩短并加宽外界与麦克风间的声音路径，同时选用质地柔软的密封圈材料，以提高总体频响性能，达到更好的收音效果。
具备高性能和小尺寸特色的微机电系统(MEMS)麦克风，特别适用于平板电脑、笔记型电脑、智慧型手机等消费性电子产品。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间设计一个声音路径，以便将声音讯号传送到MEMS麦克风振膜，可想而知，这条声音路径的设计对系统总体性能影响很大。
图1为典型平板电脑的麦克风声音路径，外界与麦克风振膜间的声音路径由产品周边设备、声学密封圈、印刷电路板(PCB)和麦克风组成，这条声音路径利用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，须要建立声音路径模型，并使用COMSOL等专业级工具对声音路径的频响特性进行模拟实验。本文将为读者提供一些化麦克风声音路径的基本原则。
图1 典型麦克风应用实例
声音路径模拟不可少
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。当我们对著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，以该现象的发明者Hermann von Helmholtz命名。Helmholtz利用谐振频率不同的谐振器，识别音乐等複杂声音内的频率成分。Helmholtz谐振的中心频率由下面方程式确定：
其中c是空气速度、AH是声孔的横截面积、LH是声孔长度、VC是空腔容积。该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複杂很多，因此必须对整个声音路径进行声波特性模拟实验，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、产品周边设备声孔直径、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频响模拟实验，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。
麦克风结构影响频率参数
MEMS麦克风低频频响是由以下主要参数决定--感测器振膜前侧和后侧间通风孔尺寸、后室容积。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。
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麦克在感测器设计、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。若麦克风将感测器直接置于声孔上面(图2、图3)，以幅度地降低前室容积，则可确保理想的高频回应。
图2 上置声孔麦克风及其声室的X光影像
图3 MEMS麦克风的声室
图4的类比实验结果描述业界MEMS麦克风的频响，该类比工具在声音路径模型的每个离散点上求解该方程式，在类比结束后，将在所有有用点採集的资料绘成图形。
图4 MEMS麦克风频响模拟结果和实际测量结果
MEMS麦克风模拟结果证明，频响曲线在高频部分非常平坦，在20kHz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。
[@B]密封圈厚度攸关频率性能[@C] 密封圈厚度攸关频率性能
麦克风密封圈是在麦克风声孔与产品周边设备声孔间起气密作用。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。下面的模拟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。
从模拟实验中(图5)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，高频回应性能变差。
图5 频响与密封圈厚度关系
麦克风内径愈大频响愈好
下一个模拟实验是评估内径不同但厚度固定(2毫米(mm))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模拟实验结果。模拟资料表明，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。
图6 频响与密封圈内径关系
声音路径形状影响难预测
到此，模拟结果符合求解Helmholtz谐振方程式获得的预测结果。下面的模拟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。在此以一个长4mm、直径600μm的简易声音路径为基准，并用以进行其他模拟实验。为了类比密封圈、产品周边设备声孔和印刷电路板声孔的宽度和形状的变化，模拟实验增加了长度、半径和形状不同的腔体，声音路径变得非常複杂，结果如图7。
图7 MEMS麦克风在不同声音路径形状时的频响
密封圈材质与谐振Q值相关
到此为止所做的全部模拟实验都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。下面的模拟实验讨论密封圈声阻抗对频响的影响。如图8所示，本实验对声孔(A)、感测器腔体(B)和感测器振膜(C)的表面应用适合的声阻抗，而声阻抗表面(D)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他弹性材料製成，而典型的产品周边设备材质通常是塑胶、铝或钢。
图8 声音路径表面
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。儘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。与採用声音硬边界条件的实验结果相比，採用铁表面材料的声孔大幅降低频响振幅峰值，这表明，使用声音硬边界条件得出的测试结果不切实际。
平板MEMS麦克风声音路径实验
图9所示是一个平板电脑的下声孔麦克风的声音路径。在这个案例中，下声孔麦克风装于印刷电路板上，印刷电路板与产品周边设备之间插入一个气密性软橡胶密封圈。
图9 平板麦克风的声音路径设计和声腔3D模型
本模拟实验对声音路径所有元件都设定了适合的声学特性。图9(b)所示是9(a)结构的声音路径三维(3D)模型。本模拟实验所有材质在消费性电子产品中都较为常用--FR4印刷电路板、软橡胶密封圈、铝製机身。
图10(a)所示是谐振峰值频率大约21.6kHz的声音路径的频响曲线，图10(b)所示是在21.6kHz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。
图10 平板麦克风声音路径模拟结果
MEMS麦克风声音路径化原则
综合以上实验结果得出以下指导原则，有助于麦克风声音路径的频响化。
．声音路径尽量短、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。
．设法不让声音路径记忆体设在任何空腔。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。
(本文作者任职于意法半导体)
