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MEMS麦克风拓展高性能噪声测量应用声级计

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【摘要】:
MEMS是一种微型机电系统,采用与制造微电子电路相同的材料(通常是硅)和蚀刻技术进行制造(见图1)。这些技术可以构建具有高精度和可重复性的微米级和纳米级结构。MEMS麦克风体积非常小,但灵敏度很高(本底噪声通常优于30dBA)。许多MEMS麦克风在器件级(甚至芯片级)集成了放大和数字采样芯片,从而直接提供数字信号,降低了系统或仪器的其它部分成本。此外,在器件级直接集成模数电路也消除了传统设计中耦合

据麦姆斯咨询报道,声级计(Sound Level Meter,简称SLM)的主要成本是测量级麦克风,如0.5英寸反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,简称ICP)麦克风。高昂的麦克风成本限制了声级计在如建筑工地监测或环境研究等诸多仪器中的应用。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,简称MEMS)麦克风成为了传统ICP麦克风的高性能替代产品,成本至少降低两个数量级。MEMS麦克风的高品质主要是受到消费电子市场需求的驱动而发展。但是,在设计高品质声级计时也需要考虑它们的特性。

 

注:声级计是最基本的噪声测量仪器,它是一种电子仪器,但又不同于电压表等客观电子仪表。在把声信号转换成电信号时,可以模拟人耳对声波反应速度的时间特性;对高低频有不同灵敏度的频率特性以及不同响度时改变频率特性的强度特性。 声级计是一种主观性的电子仪器。

 

 

MEMS是一种微型机电系统,采用与制造微电子电路相同的材料(通常是硅)和蚀刻技术进行制造(见图1)。这些技术可以构建具有高精度和可重复性的微米级和纳米级结构。MEMS麦克风体积非常小,但灵敏度很高(本底噪声通常优于30dBA)。许多MEMS麦克风在器件级(甚至芯片级)集成了放大和数字采样芯片,从而直接提供数字信号,降低了系统或仪器的其它部分成本。此外,在器件级直接集成模数电路也消除了传统设计中耦合到模拟输入线的电磁噪声。

 

图1:毫米刻度与MEMS麦克风尺寸对比示意

 

MEMS麦克风使用严格控制的微蚀刻工艺制造,故每个MEMS麦克风的个体特性极其一致。它们具有非常线性(在1kHz/94dB SPL时,总谐波失真(Harmonic Distortion,简称HD)为0.1%或更优),且动态范围也很宽(通常优于30dBA至120dBA)。此外,MEMS麦克风对温度变化的敏感性很小,同样地,它们的麦克风振膜小巧轻薄,以至于对振动的敏感性比静电式麦克风低10倍以上。另外,MEMS麦克风大规模供应消费电子市场,因此价格也非常便宜。它们的灵敏度随时间变化依然非常稳定,通常不需要重新校准即可保持在I型规范的范围内。

 

MEMS麦克风结构和封装示意图

 

这些优势使MEMS麦克风成为设计的理想选择。当然,若想设计高效的声级计,MEMS麦克风还需弥补一些缺陷。

 

由于MEMS麦克风是在器件级提供数字信号,因此无法从电路中单独移出压力敏感腔,并单独测试模拟链路。而声级计的所有相关标准都编写于20世纪70年代,并假设声级计设计包括一个单独的麦克风振腔,驱动一个模拟处理链或者一个模数转换器(ADC),然后是一个数字处理链。这就要求使用电信号代替麦克风来测试声级计。而MEMS麦克风在器件级完成了模数转换,这意味着,即使声级计可能具有符合某个标准所需的性能,也无法使用该标准规定的方法对其进行测试。

 

图2:无线声级计数据记录器

 

由于MEMS麦克风硅结构的尺寸非常小,即便是微小的灰尘颗粒也很容易进入麦克风腔体进而损坏它们。极高的静态和动态压力(通常高于160 dB-SPL)也会对这些小型硅结构造成损坏。

 

MEMS麦克风通常在10kHz至20kHz范围内具有尖锐的谐振。需要对此谐振进行校正,以使声级计的频率响应落在适当标准的限制线之内。

 

基于MEMS的声级计设计与应用

 

设计和制造有效的声级计需要克服上述缺点,最重要的因素是确保频率响应相对于指定的理论加权响应(dB-A、dB-C或dB-Z)是平坦的。MEMS麦克风的高频谐振和阻尼因个体而异,因此,精确测量谐振并优化校正滤波器以平坦响应是非常重要的。在生产过程中,Convergence Instruments使用自适应滤波器技术来识别和优化每个加权因子的校正滤波器。

 

图3:未校正的MEMS麦克风响应误差,相对于理论dB-C响应

 

这一过程完全自动化,每台仪器耗时30秒。图3、4和5显示了未经校正的麦克风以及经过校正滤波后的麦克风相对于理论dB-C响应的误差。有两种方法可用于响应校正。

 

方法1:作为标准规范,要求响应在20Hz至10kHz之间保持平坦。高于10kHz时,它必须精确遵循IEC61672-2002 I型的两条限制线之间的中心点。这为达到该标准提供了最佳余量(见图4)。

 

图4:校正dB-C加权因子后的响应误差(方法1)

 

方法2:作为特殊要求,Convergence Instruments还可以将响应平坦到20kHz(见图5)。

 

图5:校正dB-C加权因子后的响应误差(方法2)

 

使用ePTFE膜可以对抗灰尘,这种膜的孔隙率极小,可以阻止任何灰尘甚至液体进入麦克风腔。用于MEMS麦克风的最佳ePTFE膜具有约1db的衰减,且具有轻微的频率依赖性,因此,在将膜放置于麦克风之后进行频率响应校正时,须将其频率依赖性考虑在内。

 

由于静态或动态超压而导致的MEMS麦克风损坏无法抵消,该漏洞也须引起注意。MEMS麦克风在硅结构中设计有均压孔,但在低频段,均压时间常数较长,这意味着压力的快速变化会损坏麦克风。导致超压的典型情况是将麦克风插入校准器。160dB-SPL的绝对最大压力极限意味着仅为0.02个大气压。通过将麦克风插入校准器就可以达到绝对最大压力极限,因此,必须尽可能缓慢地将麦克风插入校准器(或从校准器中取出),以使麦克风最大限度平衡压力,避免损坏。还需注意的是,MEMS麦克风不是测量高压声脉冲(如爆炸或枪声)的最佳选择。在此类应用中,必须确保测量位置的峰值压力未达到绝对最大压力水平。

 

结论

 

由于MEMS麦克风是为消费市场设计和制造的,因此它们能够以低成本获取高品质的信号。MEMS制造技术可确保每个麦克风的参数高度一致,它们在时间和温度上都非常稳定。MEMS麦克风的高频谐振必须被精确抵消,才能获得足够精确的频谱灵敏度,满足I型声级计的要求,这需要先进的信号处理技术。然而,考虑到当今处理器的强大计算能力,这并不会显著增加仪器成本。

 

 

鉴于消费电子市场对MEMS麦克风的要求越来越高,MEMS麦克风提供的信号质量正在不断提高。Convergence Instruments预计,在可预见的未来,MEMS麦克风在声音测量方面的应用将持续增长。

 

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