MEMS设计提升移动平台的麦克风性能
2016-08-11 07:22:40   来源：微迷   评论：0   点击：

移动电话技术经过数代发展之后，在摄像头分辨率及影像获取功能方面的快速进展，一直让消费者惊艳不已。这种注重影像技术的发展趋势，已经让手机取代了数亿台的独立相机。

事实上，移动平台影像录制的成功发展，也唤起消费者开始关注在其多媒体经验之中较不显眼、但同样重要的元素，那就是音频品质。而音频品质又取决于所使用的MEMS麦克风品质。

在智能手机配备相机的短暂历史中，音频品质的提升速度并未跟上视频品质。其中一项原因就是缺乏消费者需求。道理很简单，当你在拨打语音电话时，MEMS麦克风的性良好主要对接听者有利，而不是拨打电话的手机使用者。因此，对于智能手机买家而言，优质的MEMS麦克风难以成为卖点。

如今，智能手机的MEMS麦克风不仅能够获取语音进行传输，也可作为音频传感器，在非常低功率的模式下支持语音启动以及控制功能，并在用于手机录影时提供了高品质音频。录影模式尤其提高了音色表现的要求。如果ultra HD解析度的智能手机影片，搭配低品质的音频录音效果，将令人感到相当沮丧。

由于智能手机使用者在播放影片时，会直接听见MEMS麦克风的性能，因此MEMS麦克风品质可能成为区隔产品差异化的因素。音频品质不佳可能会毁了整部影片，即使具有4K解析度也不例外。

声学过载点（AOP）

视频录制（及分享）的流行，让MEMS麦克风的声学过载点（AOP）地位益显重要。除了众所熟知的信噪比（SNR）以外，AOP是MEMS麦克风最重要的品质指标。

AOP定义声压位准（SPL），MEMS麦克风在此将达到10%的总谐波失真（THD）。AOP这种可测量的特性，是评估MEMS麦克风高声压位准效能的理想基准，包括演唱会及夜店等高度噪音的环境中。在部份使用情境下，即使是风切声也会造成MEMS麦克风达到其AOP。

在过去，手机制造商使用120dB SPL作为大部份MEMS麦克风的基准AOP。最近对于AOP的要求则提升至130dB SPL以上。其中增加的10dB可为使用者创造卓越的听觉效能，即使是在吵杂的演唱会环境也不受影响。此外，MEMS麦克风也更为稳固，足以对抗风切声等问题。智能手机的音频算法，还能更妥善地处理音频讯号，而不至于产生假影。

微型机器的运作

智能手机MEMS麦克风是采用MEMS工艺实现大量生产的微型器件。其典型设计结合了MEMS及ASIC芯片（如图1）。MEMS芯片内含的薄膜会随声学压力移动，进而产生放大的电信号（模拟麦克风），或在ASIC由ADC进行处理（数字麦克风）。

图1 典型的麦克风设计结合MEMS及ASIC芯片

英飞凌出售给麦克风制造商的MEMS及ASIC裸片，成功地实现了高SPL麦克风。解决方案包含麦克风MEMS芯片，以及提供模拟或数字输出的ASIC芯片。将音频转换为电信号的MEMS麦克风，基本上是一种直流（DC）偏置电容器，可借由音频压力改变电容器板的电压（图2），而导致薄膜（或振膜）振动。

图2 MEMS麦克风电容传感器原理：单背板，以及双背板

处理较大声压位准的主要挑战在于：薄膜产生大规模的机械动作，将在移动至极限时造成失真。第二项挑战则是设计ASIC芯片，以处理MEMS芯片产生的较大信号。

制造高SPL麦克风的方式之一，是加强薄膜硬度或降低偏置电压，以便减少MEMS麦克风的灵敏度。这样可减少薄膜移动，借此降低所产生的信号，但同时也会降低另一项关键参数，也就是信噪比。高SNR是众多使用案例的关键因素，其描述MEMS麦克风本身杂讯之间的馀裕应尽可能越低越好，而灵敏度则应越高越好。

夹层效应

另一种建置MEMS芯片的方式，是将移动薄膜放置在两个电容器板之间（如图3）。这样可以产生差动输出（相较于单端），具有多项优点。

图3 英飞凌双背板MEMS设计实现高AOP的麦克风

双背板（Dual back-plate）MEMS麦克风采用对称结构，可最大幅度减少失真。相同原理也应用于高端立体声电容式麦克风。

通过音频处理链（前置放大器、ADC等），更易于管理差动元件，从而减少ASIC的电源需求，同时也能降低RF干扰，减少信号处理步骤。

Dual back-plate装置更为稳固，可对抗风声问题，因为AOP较高的单背板（Single back-plate）装置制造商，一般使用滤波器消除低频风声，会对音频品质造成影响。滤波器可移除低音，这在录制音乐时尤为重要，毕竟低音是一切重点所在。

上述作法让Dual back-plate装置展现更具线性的行为，直到达到AOP为止。相较于传统的单端麦克风，SPL（音讯开始失真至2%时）将以约10dB向外推送。这对音频信号品质具有重大影响（图4）。

图4 从拆解主要厂牌智能手机的MEMS麦克风所测得的THD

英飞凌高SPL麦克风使用Dual back-plate设计，可以达到非常高的AOP，同时达到或超越目前市面上其他产品的SNR。根据音频测试显示，在出色的音频播放及聆听环境下，将可测得高于2%的THD。因此，让AOP超越现今业界最低水准的130dB SPL，以及低于2%的THD，都是重要任务。

英飞凌委托独立机构进行研究，在最新的ITU-T建议下，利用语音品质感受客观分析（POLQA）评估MEMS麦克风性能。搭配使用主观听觉测试箱（subjective listening test box）的结果证实上述发现，也展现了英飞凌Dual back-plate MEMS技术的麦克风性能。

智能手机搭载的MEMS麦克风效能将会受到诸多因素影响，包括音频处理链的设计，以及整体的MEMS麦克风阵列。此外，多项变数也影响到MEMS麦克风阵列的整体耗电量，虽然双背板设计减少的信号处理复杂度可能成为一项优势。

最后，MEMS麦克风路径设计的最佳起点是听觉测试。现有的测试箱（图5）可用于比较低/高AOP麦克风芯片，并提供开发的基准。

图5 高/低AOP麦克风的可携式即时展示器