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，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)備廠商必須在外界與麥克風(fēng)之間設(shè)計一個聲音路徑，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(shè)計對系統(tǒng)總體性能的影響很大。

下圖是一個典型的平板電腦的麥克風(fēng)聲音路徑：

圖1 – 典型應(yīng)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(dǎo)作用，構(gòu)建系統(tǒng)總體頻響。此外，聲音路徑材質(zhì)的聲阻抗也會影響頻響。若想準(zhǔn)確預(yù)測聲學(xué)設(shè)計的性能如何，需要建立聲音路徑模型，使用COMSOL等專業(yè)級仿真工具對聲音路徑的頻響特性進(jìn)行仿真實驗。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(gòu)成的結(jié)構(gòu)在受到聲波激勵時會產(chǎn)生聲學(xué)諧振。當(dāng)我們對著空瓶的瓶嘴上方吹氣時，就會發(fā)生這種諧振現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)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別音樂等復(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是聲孔的長度;VC是空腔的容積。該方程式假設(shè)諧振器是一個空腔和一條橫截面均等的管道相連組成的簡單結(jié)構(gòu)。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，必須對整個聲音路徑進(jìn)行聲波特性仿真實驗才能精確地預(yù)測聲學(xué)設(shè)計的總體性能。

在本文內(nèi)，通過改變麥克風(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，我們對不同的聲音路徑進(jìn)行了頻響仿真實驗。實驗結(jié)果讓設(shè)計人員能夠預(yù)先掌握這些參數(shù)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(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(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，因為Helmholtz諧振的原因，頻響曲線大體相同。但是，不同的MEMS麥克在傳感器設(shè)計、封裝尺寸和結(jié)構(gòu)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，以最大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

下面的仿真實驗結(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離散點上求解該方程式，在仿真結(jié)束后，將在所有有用點采集的數(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，頻響曲線在高頻部分非常平坦，在20 kHz時，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(jié)果非常接近MP34DB01的實際測量頻響。

圖 4 – MP34DB01 MEMS麥克風(fēng)頻響仿真結(jié)果和實際測量結(jié)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。在安裝一個麥克風(fēng)密封圈后，聲孔至麥克風(fēng)前室長度被延長，導(dǎo)致頻響發(fā)生變化。下面的仿真實驗是將長度不同但直徑固定(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

從仿真實驗中不難看出，增加一個密封圈會破壞頻響性能。在增加密封圈(如果是下聲孔麥克風(fēng)，還要增加一個印刷電路板)后，實際聲孔長度被延長，導(dǎo)致諧振頻率降低，高頻部分的靈敏度提高。更厚的密封圈將會提高諧振器瓶頸長度，導(dǎo)致諧振頻率降低，高頻響應(yīng)性能變差。

密封圈內(nèi)徑對頻響的影響

下一個仿真實驗是評估內(nèi)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(nèi)徑密封圈的仿真實驗結(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)表明，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。

聲音路徑形狀對頻響的影響

到此，仿真結(jié)果符合求解Helmholtz諧振方程式獲得的預(yù)測結(jié)果。下面的仿真實驗討論聲音路徑形狀變化對頻響的影響，這項預(yù)測難度很大。圖 7(a)所示結(jié)構(gòu)是一個長4mm、直徑600μm的簡易聲音路徑，其它仿真實驗都以這個簡單結(jié)構(gòu)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，仿真實驗增加了長度、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(yīng)用了聲音硬邊界條件。下面的仿真實驗討論密封圈聲阻抗對頻響的影響。如圖9所示，本實驗對聲孔(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影響諧振頻率，但是會影響諧振 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驗結(jié)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(jié)果的嚴(yán)峻性不切實際。

案例分析 – 分析平板電腦下聲孔麥克的整個聲音路徑

圖11所示是一個平板電腦的下聲孔麥克的聲音路徑。在這個示例中，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氣密性軟橡膠密封圈。

圖 11 – 平板麥克的聲音路徑設(shè)計和聲腔3D模型

本仿真實驗對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)結(jié)構(gòu)的聲音路徑3D模型。本仿真實驗所有材質(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(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，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振膜承受的氣壓最大。

結(jié)論

下面的指導(dǎo)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，則會降低頻響性能。

● 設(shè)法不讓聲音路徑內(nèi)存在任何空腔。假如無法避免，則盡量讓空腔遠(yuǎn)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。