愛普科斯MEMS技術(shù)解析

越來越多的移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)、耳機(jī)、相機(jī)和MP3，采用了先進(jìn)的降噪技術(shù)，以消除背景音，提高聲音質(zhì)量。要使這種先進(jìn)技術(shù)付諸實(shí)施，所采用的多個(gè)麥克風(fēng)不僅需具有抗射頻和電磁干擾的能力，還必須具有極小的尺寸。愛普科斯生產(chǎn)的MEMS麥克風(fēng)是符合此要求的理想解決方案。作為目前市場(chǎng)上體積最小的麥克風(fēng)，MEMS麥克風(fēng)不僅提供極佳的音頻質(zhì)量，而且具有優(yōu)良的抗電磁干擾功能。

性能優(yōu)良，占用面積小

2009年5月，由于采用了Technitrol 的MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))麥克風(fēng)技術(shù)，一系列極具創(chuàng)新性的MEMS產(chǎn)品得以投放到在硅麥克風(fēng)市場(chǎng)。首批上市的產(chǎn)品為愛普科斯T4000 and T4010系列，在它們身上，匯聚了先進(jìn)的MEMS和ASIC技術(shù)的設(shè)計(jì)能力、對(duì)用途的深入了解以及各種專利。

現(xiàn)在，產(chǎn)品系列中增加了數(shù)字輸出的麥克風(fēng)，即T4030。新產(chǎn)品體積小，靈敏度為-26 dB FS（全量程），信噪比為60dBA。即使聲級(jí)為100 dB，失真度也低于1%。其頻率響應(yīng)特點(diǎn)是高帶寬、低振幅波動(dòng)（見圖1）。由于采用了PDM(脈沖密度調(diào)制)輸出，T4030對(duì)電磁干擾基本無反應(yīng)。電源噪音抑制為-82 dB FS?？赏ㄟ^一根信號(hào)線進(jìn)行雙聲道傳輸，這使得立體聲或多麥克風(fēng)應(yīng)用變得容易，比采用模擬技術(shù)簡(jiǎn)便得多。電源電壓在1.64V至2.86V之間。電力消耗為650 μA，在待機(jī)模式下則低于10 μA。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊

T4030性能優(yōu)良，尺寸極小，它最適合在移動(dòng)設(shè)備中作降噪用途，因?yàn)樵谶@些設(shè)備中，空間占用往往是首要考慮的問題。這方面很好的例證是大北歐（GN Netcom）公司研制的捷波朗STONE藍(lán)牙耳機(jī)。大北歐是一家丹麥耳機(jī)生產(chǎn)商，其產(chǎn)品用于手機(jī)、聯(lián)絡(luò)中心和辦公室（見圖2）。捷波朗STONE是一款結(jié)構(gòu)極緊湊的耳機(jī)，其特點(diǎn)是在噪音清除和自然聲音之間找到最佳的平衡，提供完美的音質(zhì)。而要達(dá)到這種效果，只有采用雙麥克風(fēng)捕捉聲音，同時(shí)僅對(duì)背景噪音進(jìn)行智能過濾。正是出于這一目的，廠家選擇了尺寸小、性能優(yōu)的T4000系列產(chǎn)品。

大北歐認(rèn)為捷波朗STONE是一款革命性的產(chǎn)品，必將顛覆消費(fèi)者對(duì)藍(lán)牙耳機(jī)的固有看法?！八煨酮?dú)特，降噪技術(shù)先進(jìn)，不需要橫臂，是一個(gè)全新的產(chǎn)品概念，” 大北歐移動(dòng)通信部的副總裁安娜-R-拉斯穆塞這樣說道。

先進(jìn)的降噪技術(shù)

在中高端移動(dòng)設(shè)備中，消除噪音正日益變成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求。在接收路徑和傳輸路徑中，兩種降噪功能可以合并（見圖3）。如下圖所示，在接收路徑（藍(lán)色）中，麥克風(fēng)1位于喇叭的旁邊，接收噪音，此噪音信號(hào)反相后添加到傳入的聲音中。反相的噪音信號(hào)與周圍噪音信號(hào)相消。這樣，用戶可以更清晰理解對(duì)方的話音，即便在嘈雜的環(huán)境里亦如此。

圖2：大北歐生產(chǎn)的捷波朗STONE藍(lán)牙耳機(jī)

圖3：在接收和傳輸路徑消除噪音

在傳輸路徑（黃色）中，麥克風(fēng)2背對(duì)著口部，接收周圍噪音。麥克風(fēng)3正對(duì)著口部，它同時(shí)接收周圍噪音和說話者的話音。在此，通過添加反相噪音信號(hào)，噪音被消除。此時(shí)，通話對(duì)方受到的周圍噪音干擾將減小。

使用三個(gè)以上的麥克風(fēng)，可以設(shè)計(jì)出功能更強(qiáng)大和更復(fù)雜的降噪系統(tǒng)。隨著更多的麥克風(fēng)植入到小型移動(dòng)設(shè)備內(nèi)，產(chǎn)品的尺寸大小已變得越來越重要。圖4展示了兩款安裝在電路板上的小型T4000麥克風(fēng)。與此同時(shí)，用戶對(duì)聲音質(zhì)量的期望更高。將來麥克風(fēng)的信噪比(SNR)將達(dá)到62 dB，高出今天的一般水平55-59 dB。如今，愛普科斯的T4020 MEMS性能優(yōu)良，信噪比已達(dá)到62 dB，而且信噪比更高的產(chǎn)品正在研制之中。

尖端的封裝技術(shù)

避免電磁干擾和射頻干擾一直是SAW濾波器的重要問題。SAW濾波器都在GHz范圍內(nèi)工作，在天線接收射頻信號(hào)后，在信號(hào)路徑中通常是第一個(gè)元件。正是這一原因，為了維護(hù)很弱的信號(hào)，必須采取極可靠的屏蔽。此要求催生了CSSP?（即“芯片大小SAW封裝”）技術(shù)的誕生。該技術(shù)是具屏蔽功能的極小封裝，并通過應(yīng)用到數(shù)十億手機(jī)上，證明其成熟性。

MEMS麥克風(fēng)正是基于專用于MEMS的相同封裝技術(shù)（CSMP?，也即芯片大小MEMS封裝）而生產(chǎn)的（見圖5）。該項(xiàng)技術(shù)得益于成熟的愛普科斯生產(chǎn)工藝以及15年開發(fā)MEMS麥克風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)。MEMS麥克風(fēng)符合RoHS指令規(guī)定，并適合SMD無鉛回流焊工藝。

圖4： STONE耳機(jī)的電路板，上面安裝了兩個(gè)MEMS麥克風(fēng)

圖5： MEMS麥克風(fēng)的堅(jiān)固封裝

完整測(cè)試

TDK-EPC公司也將成熟的SAW生產(chǎn)技術(shù)用于最終電聲測(cè)量。通過設(shè)計(jì)出一個(gè)特定的測(cè)試頭，解決了測(cè)量電聲特征的問題。每只麥克風(fēng)出廠前，都會(huì)按照相關(guān)規(guī)范接受完整的測(cè)量，包括基本的電聲性能測(cè)試。具體測(cè)試項(xiàng)如下：

1 kHz和窄帶噪音時(shí)的靈敏度；

寬帶頻率響應(yīng)；

寬帶噪音；

電源穿透；

諧波失真；

功率消耗。

100%的測(cè)試使MEMS麥克風(fēng)在應(yīng)用中可靠地表現(xiàn)出優(yōu)良性能。

MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)緊湊，電氣性能優(yōu)異，還可用在對(duì)聲音質(zhì)量要求高的領(lǐng)域，包括高質(zhì)量的視頻和VoIP（互聯(lián)網(wǎng)電話）系統(tǒng)、電話會(huì)議系統(tǒng)和波束成型系統(tǒng)中。T4000系列產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)開始。目前可以得到T4020 和T4030系列的工程樣品。