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满满的干货!TDK技术注释:MEMS麦克风T4064/T4081系列

MEMS麦克风T4064/T4081系列

近年来,在智能手机等设备中,运用MEMS(微机电系统)技术的MEMS麦克风(以下称为MEMS麦克风)得到越来越广泛的使用。同时,不仅是智能手机,穿戴式产品、运动相机或数码相机等带有通过声音识别周围情况的功能或录音功能的电子设备对于MEMS麦克风的进一步小型化或音响特性的提高提出了更高的要求。此外,在声音识别接口中,高性能麦克风也是必须产品。TDK为满足此类先进需求,运用通过SAW设备等积累而来的CSMP(芯片尺寸MEMS封装)技术,成功实现了MEMS麦克风的进一步小型、低背及高性能化。


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MEMS麦克风是通过集成封装作为音响传感器的MEMS芯片以及进行信号处理的IC芯片后制造而成的小型麦克风。MEMS芯片应用半导体制造技术,并通过光刻或蚀刻等,在硅晶圆中形成微结构后实现芯片化。其尺寸小,仅为数mm左右,麦克风中大约搭载有3个左右MEMS麦克风。同时,用于免提通话的耳机麦克风、带有噪音消除功能的头戴耳机等内部也使用MEMS麦克风。

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T4064型(微产品)

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T4081型(高耐输入产品)

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T4064以及T4081中采用了TDK MEMS麦克风第2代全新封装。图2所示为其内部结构概况。

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图2 TDK MEMS麦克风的基本结构

其结构为,将作为麦克风元件的MEMS芯片与进行信号处理的ASIC贴装于陶瓷基板中,使用聚合箔将其密封后,用盖子将其盖住。在T4064以及T4081中,采用了金属盖取代了以往的树脂盖。


MEMS麦克风通过音孔与外部环境相连。隔膜(振动电极板)与背板(固定电极板)配置在音孔与MEMS芯片的背音室(空洞部)之极小空隙中。隔膜与背板发挥着平行平板型电容器的作用,隔膜因声压而产生振动时,其与背板之间的空隙长度也会发生变化,从而使静电容量发生变化。MEMS麦克风是将该变化作为电气信号取出的、称为静电容量型的麦克风。


图3通过方框图显示MEMS麦克风的电路。电荷泵是向背板提供偏置电压的升压电路,传感器信号被传输至前置放大器中,经过放大后输出。

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图3 MEMS麦克风的电路方框图

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TDK MEMS麦克风T4064的特点在于微小、低背,其尺寸为2.7×1.6×0.89mm(L×W×H),与以往最小产品T4063型相比,是一款贴装面积削减大约15%,并且进一步提高了音响特性的在产品。其适合用于智能手机、耳机麦克风、头戴耳机等用途。


麦克风的主要音响特性拥有灵敏度、动态范围、频率特性等。麦克风的灵敏度以施加特定声压时的输出电压大小表示。在MEMS麦克风中,对于相同声压,隔膜的位移量越大,麦克风的灵敏度越高。为此,一般情况下,MEMS麦克风小型化后,隔膜面积也会变小,从而灵敏度也会下降。


然而,不仅仅是隔膜面积,材质、厚度、内部应力、与背板等的距离等也与MEMS麦克风的灵敏度有所关联。TDK的MEMS麦克风T4064拥有极其平稳的频率特性,由于其覆盖了低频至超声波范围,因此可用于测量用途。

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同时,TDK MEMS 麦克T4081 (3.35 × 2.5 × 0.95mm) 采用了双背板的革新性设计,即使是130dB的大音量也不会产生破音,具有高耐输入性特点。


动态范围是以dB单位表示麦克风收集的最大检测声压与最小检测声压的比率。麦克风中要求尽可能高的灵敏度,较广的动态范围。但灵敏度与动态范围存在权衡关系。在MEMS麦克风中,若其达到可收集到微小声音的高灵敏度时,隔膜的位移量将会增加,允许声压等级将会降低,从而使动态范围变窄。为此,在产生大音量时,输出信号失真将会变大,从而产生破音。


相反,若抑制隔膜位移量,使其在大音量下也可降低失真时,允许声压等级也会变高,动态范围变宽,但灵敏度会下降。输出信号的失真程度一般以THD(Total Harmonic Distortion:总谐波失真率)表示。


图4为TDK MEMS麦克风的新产品T4064以及T4081的THD-SPL(声压等级)特性比较。

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图4 T4064与T4081的THD-SPL特性比较

THD-SPL特性一般以THD超过1%之前的最大SPL来表示。T4064在110dB为止保持着1%以下的THD。110dB是例如在列车通过高架桥时,在高架桥下面听到的极为嘈杂的声音。T4064即使在如此大音量环境下也可进行收集而不会产生破音。


如上图所示,T4081拥有令人惊叹的THD-SPL特性,达到了130dB。这相当于喷气式飞机引擎在非常近的距离所发出的声音等级,这种轰鸣声会使身体感到十分痛苦。为此,在摇滚演唱会现场等大音量环境下,T4081也可进行收集而不会产生破音。


之所以能够实现如此惊异音响特性,是因为在T4081的MEMS芯片音响传感器部采用了双背板的革新性设计。


图5所示为普通单背板与T4081中采用的双背板结构。单背板为非对称结构,其相对于隔膜相向配置有1块背板。而双背板则在隔膜两侧相向配置了2块背板,因此为对称结构。

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图5 普通单背板MEMS与新设计的双背板MEMS的结构

如下图所示,即使在单背板中未施加声压的零SPL状态下,隔膜也会因偏置电压的静电力(库仑力)而向单侧(背板侧)产生位移。在这个状态下施加声压后,隔膜会产生非对称位移,在声压升高的同时,THD变大,从而造成破音。

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而在双背板中,在没有声压的零SPL状态下,静电力会均等地作用在隔膜的两面,因此隔膜不会产生位移。此外,即使施加声压,隔膜也会产生对称的位移,因此拥有优异的THD-SPL特性,即使在大音量下也不会发生破音,具有高耐输入性。同时,通过THD-SPL特性与高S/N比(66db(A)),即使是远程声源也可实现良好音质的录音。

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TDK MEMS麦克风T4081不仅可用于高端智能手机中,同时也适用于拥有ANC(主动噪音消除)功能的耳机或头戴耳机等。ANC是指,通过处理电路产生麦克风所收集的周围杂音的逆相位信号,并将其与杂音相重合使其消除的功能。


T4081拥有高S/N比、高耐输入型且小型形状等特点,因此可与扬声器、ANC电路等一同收纳至头戴耳机的耳罩等内部。等效杂音(自杂音)等级较低,仅为30dB以下,在普通情况下可以低输出形式使用,因此可节约电池电力。此外,最大SPL可达到130dB,因此在噪音环境下提高输出也不会出现破音。

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TDK MEMS麦克风T4064/T4081是运用了SAW设备等制造中所积累的MEMS技术以及封装技术的产品。在产品线中,本文介绍的T4064为行业最小等级,T4081则拥有高耐输入性特点,客户可根据用途选择合适的产品。

类型

T4064

(TDK最小商品)

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T4081

(高耐输入产品)

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型号

MMIC271609T4064

MMIC332509T4081

尺寸

2.7×1.6×0.89mm

3.35×2.5×0.95mm

S/N比

61.5dB(A)(20~20kHz)

66dB(A)(20~20kHz)

THD 1%

110dB SPL

130dB SPL

产品

详情

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以上就是TDK MEMS麦克风T4064/T4081系列的介绍。如您有任何疑问,请给我们留言或者发送您的疑问至product@tdkchina.com,谢谢!


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THE END
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