解读MEMS麦克风技术与设计

何为MEMS麦克风？

MEMS（微型机电系统）麦克风是提供高保真声感的微型器件，体积小，可紧密集成于电子产品中，如智能手机、智能扬声器以及耳机等电子消费品。现在，MEMS麦克风不仅能够记录普通的环境声音，还具备立体声、主动降噪、指向性（聚束）、语音识别等功能。增加设备的麦克风数量即可实现这些音频功能，例如最新智能手机中的MEMS麦克风可多达6个。出色的性能使MEMS麦克风应用范围广，因而产生了大量的市场需求。

什么是电容式MEMS麦克风？其工作原理是什么？

所有麦克风（传统麦克风和MEMS麦克风）都通过柔性膜片感应声波。在声波压力下，膜片会发生位移。现在市场上大部分MEMS麦克风都使用电容技术来探测声音。电容式MEMS麦克风的工作原理是测量柔性膜片和固定背板之间的电容。声波带来的气压变化会导致膜片发生位移。空气可穿过背板上的小孔，因此背板的位置不会发生改变。在膜片移动的过程中，膜片与固定背板之间距离会发生改变，最终导致两者之间电容值的改变，这种电信号的变化可以被记录和分析。

图1：不同类型的电容式MEMS麦克风

电容式MEMS麦克风存在不同的类型，如：

• 单一背板麦克风
• 双层背板麦克风，背板分置膜片两侧
• 双层膜片麦克风的背板封装在两层膜片之间，膜之间可以是真空的。

MEMS麦克风设计

MEMS麦克风设计人员需要研究并优化频率响应、灵敏度、信噪比(SNR)、总谐波失真和等效输入噪声等关键性能指标。信噪比是一项关键性能指标，不同的电容式MEMS麦克风通过增加信号（双层背板和双层膜片）或降低噪声（在两层膜片之间进行真空密封）来提高信噪比SNR。

对电容式MEMS麦克风及其性能特征的设计、建模和研究可以在MEMS+®(CoventorMP® MEMS设计平台的组成部分)中进行。MEMS+提供不同MEMS结构的非线性和多物理参数模型，这些模型可以组成完整的MEMS麦克风设计。此外，还可以将MEMS+麦克风集成到Cadence Virtuoso®电路仿真软件中，这将使我们可以通过特定的IC偏置条件模拟MEMS麦克风及其ASIC。

图2：双层背板MEMS麦克风的MEMS+模型示例

未来的MEMS麦克风设计

如今人工智能时代下，市场上已经出现了基于创新的自动优化技术的MEMS设计方案。例如，慕尼黑工业大学电子设计自动化学院的小组曾研究并演示了基于MEMS+的MEMS麦克风包括其读出电路自动化优化设计。