MEMS麦克风的基本原理

关于麦克风的参数介绍-驻极体麦克风（ECM）和硅麦（MEMS）1、麦克风的分类1.1、动圈式麦克风（Dynamic Micphone）原理：基本构造包含线圈、振膜、永久磁铁三部分。

当声波进⼊麦克风，振膜受到声波的压⼒⽽产⽣振动，与振膜在⼀起的线圈则开始在磁场中移动，根据法拉第的楞次定律，线圈会产⽣感应电流。

特性：动圈式麦克风因含有磁铁和线圈，不够轻便、灵敏度较低、⾼低频响应表现较差；优点是声⾳较柔润，适合⽤来收录⼈声。

应⽤：KTV场所。

1.2、电容式麦克风（Condenser Micphone）原理：根据电容两⽚隔板间距离的改变来产⽣电压变化。

当声波进⼊麦克风，振膜产⽣振动，使得振动膜和基板之间的距离会随着振动⽽改变，于是基板间的电容会变，根据Q=C*V（电容式麦克风中电容极板的电压会维持⼀个定值）得到变化的电荷量Q。

特性：灵敏度⾼，常⽤于⾼质量的录⾳。

应⽤：消费电⼦、录⾳室。

1.3、铝带式麦克风（Ribbon Micphone）原理：在磁铁两极间放⼊通常是铝制的波浪状⾦属箔带，⾦属薄膜受声⾳震动时，因电磁感应⽽产⽣信号。

1.4、碳精麦克风（Carbon Micphone）2、两种常⽤电容式麦克风的对⽐：驻极体电容麦克风（ECM）和微机电麦克风（MEMS Micphone）2.1、驻极体电容麦克风（Electret Condenser Micphone）原理：驻极体麦克风使⽤了可保有永久电荷的驻极体物质，不需要再对电容供电。

（若驻极体麦克风中内置放⼤电路，则需要供电）优点：技术成熟、价格便宜缺点：体积⼤，不⽅便SMT、引线长，造成信号衰减、⽣产⼯序多，⼀致性差、灵敏度不稳定2.2、微机电麦克风（MEMS Micphone）原理：微机电麦克风也称麦克风芯⽚或硅麦克风，硅麦⼀般都集成了前置放⼤器，甚⾄有些硅麦会集成模拟数字转换器，直接输出数字信号，成为数字麦克风。

优点：体积⼩，可SMT、产品稳定性好缺点：价格较⾼备注：⼀般情况下，我们把集成了前置放⼤器或者模拟数字转换器的麦克风称为拾⾳器（pickup）。

MEMS的原理及应用前言微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）是一种将微米尺度的机械元件和微电子元件集成在一起的技术。

它结合了机械学、电子学和计算机科学等领域的知识，广泛应用于各个领域。

本文将介绍MEMS的原理及其在不同领域的应用。

MEMS的原理MEMS的核心原理是利用微米尺度的机械结构来感知和操控物理量。

这些微米尺度的结构通常由硅或其他材料制成，并且与电子元件集成在一起。

MEMS器件利用微机械结构的运动或变形来实现各种功能。

下面是一些常见的MEMS原理：1.微加工技术：MEMS器件通常是通过光刻和微加工技术制作的。

这些技术允许制造出微米级别的机械结构和电子元件。

2.机械传感器：MEMS器件中最常见的一类是机械传感器，用于感知物理量如压力、加速度、温度等。

典型的机械传感器包括压力传感器、加速度传感器和陀螺仪等。

3.微操控器件：除了传感器，MEMS还包括微操控器件，用于操控物理量如运动、振动等。

例如，微镜头用于手机的自动对焦功能就是一种微操控器件。

4.集成电子元件：最重要的一点是，MEMS器件通常与集成电子元件一起工作。

传感器通过电子元件将感知到的物理量转化为电信号，而操控器件则接收电信号并操控相应的物理量。

这种集成使得MEMS器件具有高度的智能化和自动化能力。

MEMS的应用MEMS技术在各个领域都有广泛的应用。

下面列举了几个典型的应用领域：1. 电子设备•手机：MEMS技术使得手机具备了更多的功能，如自动对焦摄像头、陀螺仪和加速度传感器等。

•智能手表：智能手表中的MEMS技术可以实现计步器、心率监测和气压计等功能。

•耳机：MEMS技术可以用于制作微型麦克风和降噪器，提高音质和通话质量。

2. 医疗领域•生物传感器：MEMS技术可以用于制作微型生物传感器，实现疾病的早期诊断和监测。

•药物传递系统：利用MEMS技术，可以制作微型药物传递系统，实现精确的药物控制和释放。

一种MEMS芯片及其制作方法引言MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）芯片是一种集成了微观机械部件、电学元件和电子集成线路的微型器件。

它在现代电子技术中具有广泛的应用，如加速计、压力传感器、麦克风等。

本文将介绍一种基于MEMS技术的芯片及其制作方法。

背景MEMS芯片的发展源于集成电路技术的快速进展。

通过微电子加工工艺，可以将微观机械结构与电路部件相结合，从而实现功能更加复杂的微型器件。

在MEMS芯片中，传感器是常见的元件之一，而MEMS麦克风则是其中的重要应用之一。

MEMS麦克风MEMS麦克风是一种利用MEMS技术制作的微型麦克风。

它具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点，广泛应用于消费电子产品、通信设备等领域。

下面将介绍一种MEMS麦克风的制作方法。

制备MEMS麦克风的流程1.基底制备：首先，选择适合的基底材料，常见的有硅（Si）基底。

然后，使用光刻工艺在基底表面形成薄膜层，通常使用光刻胶和掩膜进行图案定义。

2.薄膜沉积：在基底表面沉积一层薄膜，常见的材料包括金属薄膜、多层金属膜等。

薄膜沉积可以使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法。

3.薄膜刻蚀：使用光刻工艺和刻蚀工艺将薄膜层进行图案定义和刻蚀，形成MEMS麦克风的微结构。

4.封闭结构：在微结构形成后，使用封闭工艺封闭MEMS麦克风的结构，保护内部部件免受环境影响。

5.封装：将封闭的MEMS麦克风器件进行封装，通常使用注塑成型或裸芯片直接封装等方式。

制备MEMS麦克风的优势制备MEMS麦克风采用了先进的微纳加工技术，具有以下优势：•小尺寸：MEMS麦克风的尺寸小，可以实现更小型化的产品设计。

•低功耗：由于MEMS麦克风的特殊结构，功耗较低，有利于延长电池寿命。

•高灵敏度：MEMS麦克风的微结构可以实现高灵敏度的声音接收，能够捕捉到更多细节。

•可靠性高：制备过程中采用精密的工艺控制和封装技术，提高了MEMS麦克风的可靠性。

MEMS麦克风工作原理及应用于助听器的前景因为人口老龄化和听力丧失人群的显然增强，助听器市场不断增长，但其惹眼的形状和很短的电池寿命让许多人失去爱好。

随着听力丧失现象变得越发常见，人们将寻求越发小巧、更有效、更高品质的助听器。

助听器信号链的前端是麦克风，它检测语音和其他环境噪声。

因此，充实音频捕获可以提高信号链整体的性能并降低功耗。

麦克风是把声学信号转换为电信号以供助听器音频信号链处理的。

有许多技术可用于这种声电转换，但麦克风是其中尺寸最小、精度最高的一类麦克风。

电容麦克风中的薄膜随着声学信号而运动，这种运动引起电容变幻，进而产生电信号。

驻极体电容麦克风(ECM)是助听器中用法最广泛的技术。

ECM采纳可变电容，其一个板由具有永远电荷的材料制成。

ECM在当今助听行业声名显赫，但这些设备背后的技术自1960年月以来并无多大变幻。

其性能、可重复性以及相对于温度和其他环境条件的稳定性不是十分好。

助听器以及其他注意高性能和全都性的应用，为新型麦克风技术的进展制造了机会。

新技术应该能充实上述缺点，让创造商生产出更高质量、越发牢靠的设备。

微机电系统()技术是电容麦克风变革的中坚力气。

MEMS麦克风利用了过去数十年来硅技术的巨大长进，包括超小型创造结构、精彩的稳定性和可重复性、低功耗，全部这些都已成为硅工业不折不扣的要求。

迄今为止，MEMS麦克风的功耗和噪声水平还是相当高，不宜用于助听器，但满足这两项关键要求的新器件已经浮现，正在掀起助听器麦克风的下一波创新浪潮。

MEMS麦克风工作原理像ECM一样，MEMS麦克风也是电容麦克风。

MEMS麦克风包含一个灵便悬浮的薄膜，它可在一个固定背板之上自由移动，全部元件均在一个硅晶圆上创造。

该结构形成一个可变电容，固定电荷施加于薄膜与背第1页共4页。

MEMS 硅麦克风MEMS 麦克风采用批量化的半导体制作工艺, 具有尺寸小、性能优良、一致性高等特点, 并且易于实现阵列化, 对语音效果实现了较大的提升。

根据制造技术, 麦克风可以分为两种主要类型, 传统的驻极体麦克风和MEMS麦克风。

驻极体麦克风通常由独立的金属部件和聚合物材料制成, 尺寸较大, 不易于集成和大批量生产。

而MEMS 麦克风采用与集成电路工艺兼容的硅微加工技术制成, 尺寸较小, 比较适合集成和大规模量产, 进一步降低了生产成本, 并在性能上也得到了较大的提升.电容式MEMS 麦克风主要由两块平行的导电极板组成（包括固定极板和可动极板）, 当可动极板在声波作用下产生振动时, 改变了两极板间的距离, 从而引起电容值的变化。

那么, 通过专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）可以将电容的变化转换成电压信号。

从设计的角度来说, MEMS麦克风的灵敏度取决于电学灵敏度和机械灵敏度。

其中, 电学灵敏度与偏置电压和极板面积成正比, 与极板间的距离成反比。

因此, 偏置电压越高, 极板面积越大, MEMS 麦克风的电学灵敏度就越高。

但是, 增大极板面积就意味着增大MEMS 麦克风的尺寸, 提升偏置电压就意味着增加功耗, 而且偏置电压也会受到吸合电压的限制而不能任意增大。

因此, 这就需要在尺寸、功耗、灵敏度之间找到一个平衡点, 在不增加尺寸和功耗的前提下进一步提升MEMS 麦克风的灵敏度。

MEMS 麦克风的机械灵敏度与振膜（可动电极）的刚度成正比, 一般来说, 刚度越小的薄膜在声波作用下产生的形变就越大。

因此, 减小振膜刚度可以获得更高的机械灵敏度, 但是在制作过程中, 刚度较小的振膜极易受到外界的影响产生形变甚至破裂。

而且在静电力的作用下, 振膜与固定极板之间会产生一个吸引力, 导致振膜逐渐向固定极板靠近, 当振膜与固定极板接触时的偏置电压称为吸合电压。

什么是咪头其结构原理是什么咪头是一种常见的电容式麦克风，也被称为电容麦克风。

它是一种将声音转换成电信号的设备，常用于录音、语音识别和通信等领域。

咪头的结构原理涉及到电容效应和振动信号的转换。

咪头的结构通常包括以下几个部分：振膜、静电间隙、电容板、电子电路和输出接口。

振膜是咪头的重要部分，它是一个薄膜状的材料，常用的材料有金属薄膜或涂层的聚合物膜。

振膜可以根据声音的振动而产生相应的位移，即声波信号通过振膜传递到咪头中。

静电间隙是振膜和电容板之间的空隙，其宽度一般为几微米到几十微米。

静电间隙的大小可以影响咪头的灵敏度和频率响应。

电容板是安装在振膜背后的金属板，它与振膜组成了一个电容器。

当振膜振动时，振膜与电容板之间的电容值会发生变化，从而导致电荷的积累和释放。

电子电路是咪头的核心部分，它用于接收、放大和处理振膜产生的微小电信号。

电子电路通常包括前置放大器和后置放大器，前置放大器用于放大振膜上产生的电荷，后置放大器则将电荷转换成电压信号。

输出接口是咪头将处理后的电信号输出到外部设备的部分，例如声卡、录音机或通信设备。

输出接口通常使用标准的音频连接器，如3.5mm或XLR接口。

咪头的工作原理是基于电容效应的，当振膜振动时，电容器的电容值会随之变化，这种变化可以通过电子电路转换成电信号。

具体来说，当振膜向外振动时，振膜与电容板之间的电容值减小，导致电荷从电容板流向振膜。

相反，当振膜向内振动时，电容值增加，导致电荷从振膜流向电容板。

这种电荷的变化被电子电路捕获并放大，最终转换成可用的音频信号。

咪头的优点是灵敏度高、频率响应广，并且对声音的捕捉非常准确。

然而，由于使用了复杂的电子电路，咪头在制造和维护上比较复杂，并且对环境中的噪音和干扰比较敏感。

总之，咪头是一种电容式麦克风，其结构原理基于电容效应和振动信号的转换。

它将声音信号转换成电信号，并通过电子电路进行处理和放大，最终输出到外部设备。

咪头在录音、语音识别和通信等领域有着广泛的应用。

CMOS硅麦克风原理随着智能手机的兴起，对于声音品质和轻薄短小的需求越来越受到大家的重视，近年来广泛应用的噪声抑制及回声消除技术均是为了提高声音的品质。

相比于传统的驻极体式麦克风(ECM)，电容式微机电麦克风采用硅半导体材料制作，这便于集成模拟放大电路及ADC(∑-∆ ADC)电路，实现模拟或数字微机电麦克风元件，以及制造微型化元件，非常适合应用于轻薄短小的便携式装置。

本文将针对CMOS微机电麦克风的设计与制造进行介绍，并比较纯MEMS与CMOS工艺微导入麦克风的差异。

电容式微麦克风原理MEMS微麦克风是一种微型的传感器。

其原理是利用声音变化产生的压力梯度使电容式微麦克风的声学振膜受声压干扰而产生形变，进而改变声学振膜与硅背极板之间的电容值。

该电容值的变化由电容电压转换电路转化为电压值的输出变化，再经过放大电路将MEMS传感器产生得到电压放大输出，从而将声压信号转化成电压信号。

在此必须采用一个高阻抗的电阻为MEMS传感器提供一个偏置电压VPP，借以在MEM S传感器上产生固定电荷，最后的输出电压将与VPP及振膜的形变∆d成正比。

振膜的形变与其刚性有关，刚性越低则形变越大；另一方面，输出电压与d(气隙)成反比，因此气隙越低，则输出电压及灵敏度越优，但这都将受限于MEMS传感器的吸合电压，也就是受限于MEMS传感器静电场的最大极限值(图1)。

CMOS微机电麦克风电路设计在CMOS微麦克风设计中，电路是一个非常重要的环节，它将影响到微麦克风的操作、感测，以及系统的灵敏度。

以图2为例，驻极式电容微麦克风的感应电荷由驻极体材料本身提供的驻极电荷所产生，而凝缩式电容微麦克风则是采用从CMOS的操作电压中抽取一个偏置电压，再通过一个高阻抗电阻提供给微麦克风的声学振膜来提供固定的电荷源。

此时，若声学振膜受到声压驱动而产生位移变化，则电极板(感测端)的电压将会发生变化。

最后，通过电路放大器将信号放大，则可实现模拟麦克风的电路设计；如果再加上一个∑-∆ ADC模数转换电路，便可完成数字麦克风的电路设计(一般数字麦克风的输出信号为1比特PDM 输出)。

∙MEMS（微型机电系统）麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造,能够承受很高的回流焊温度,容易与 CMOS 工艺及其它音频电路相集成, 并具有改进的噪声消除性能与良好的RF 及EMI 抑制性能.MEMS麦克风的全部潜能还有待挖掘，但是采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。

目录∙MEMS麦克风的优势∙MEMS麦克风的主要参数∙MEMS麦克风的发展前景MEMS麦克风的优势∙目前，实际使用的大多数麦克风都是ECM(驻极体电容器)麦克风，这种技术已经有几十年的历史。

ECM 的工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。

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，其敏感性不会受温度、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，还可以节省制造过程中的音频调试成本。

MEMS麦克风需要ASIC提供的外部偏置，而ECM没有这种偏置。

有效的偏置将使MEMS麦克风在整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，还支持具有不同敏感性的麦克风设计。

传统ECM的尺寸通常比MEMS麦克风大，并且不能进行SMT（表面贴装技术）操作。

在MEMS麦克风的制造过程中，SMT回流焊简化了制造流程，可以省略一个目前通常以手工方式进行的制造步骤。

在ECM麦克风内，必须添加进行信号处理的电子元件；而在MEMS麦克风中，只需在芯片上添加额外的专用功能即可。

与ECM相比，这种额外功能的优点是使麦克风具有很高的电源抑制比，能够有效抑制电源电压的波动。

另一个优点是，集成在芯片上的宽带RF抑制功能，这一点不仅对手机这样的RF应用尤其重要，而且对所有与手机操作原理类似的设备（如助听器）都非常重要。

MEMS麦克风的小型振动膜还有另一个优点，直径不到1mm的小型薄膜的重量同样轻巧，这意味着，与ECM相比，MEMS麦克风会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB 噪声产生更低的振动耦合。