如何构建一个更好的MEMS麦克风

在科文托这里，我们看到了很多对模拟噪音的兴趣，特别是对于电容麦克风。对于任何换能器，降噪总是一个优点，而对于麦克风，有两个需要低噪声的特定应用。一种是将麦克风放置在远离声源的位置，比如在视频通话或在平板电脑上使用语音命令时。另一种是在一个阵列中放置多个麦克风，以检测传入声音的方向或用于噪声消除应用程序。

MEMS麦克风中的噪声源

所有的麦克风都会产生噪音，包括电子元件、封装和传感元件本身。在MEMS电容传声器中，传感元件的噪声主要是热噪声(也称为热噪声)Johnson-Nyquist噪音)由声孔、后板穿孔孔和隔膜排气孔的流动阻力产生。从物理上讲，热噪声的起源是与气流阻力相关的空气分子的随机运动。空气分子产生膜片运动，由电子电路将膜片运动转化为电信号。在实践中，产生的噪声水平与麦克风的灵敏度密切相关:更低的噪声是以更低的灵敏度为代价的，反之亦然。因此，信噪比(SNR)提供了一个很好的性能指标。信噪比是在1khz, 94 dB SPL (1 Pa)参考信号下，噪声水平和灵敏度之间的分贝差。

设计MEMS麦克风

MEMS电容式麦克风都是非常具有挑战性的设备建模。在大多数情况下，需要处理非线性耦合物理问题，以及高穿孔后板的复杂几何结构。传统的方法是将系统线性化并使用等效电路模型。这种方法是有效的，尽管它需要高水平的建模专家(通常是博士水平)来创建和维护模型。这是一个想法。与其建立等效电路模型，为什么不直接模拟信噪比呢?你所需要的是正确的混合元素和模拟器来完成工作。对于那些还没有使用MEMS +^®模块的Coventor国会议员^®，希望你会有兴趣知道，我们已经使用与Cadence Spectre的集成多年来拥有这一功能^®．下一个MEMS +模块的CoventorMP该软件将于2018年春季发布，你也可以使用MEMS +模拟器。我们真的为MEMS设备设计人员的这种新的前沿模拟能力感到自豪。

为了理解我们的解决方案是如何工作的，请看看下面的图表。这显示了一个混合电容麦克风模型。膜和后板是使用我们的多物理有限元建模。通风孔、后腔和声道采用集总元件。如果您只关注传感元素(即。没有附加的电子设备)你可以直接在里面运行一个模拟MEMS +和/或MathWorks MATLAB^®．

使用任何一种工具，您都可以预测任何输出字段的灵敏度和噪声。对于噪声，这可能是位移噪声，或者更通常的电容噪声。后者可以很容易地转换成电压噪声，然后用a加权滤波器在整个音频频段集成。然后，将噪声与灵敏度相结合得到信噪比。

当然，你可能想要更进一步，使用Cadence Virtuoso用麦克风的传感元素建模电子产品^®．例如，在这里，您可以添加一个恒电荷偏置电路，并在Cadence Spectre中运行灵敏度和噪声分析。信噪比可以使用Cadence Virtuoso计算器计算^®．顺便说一句，你也只有几次点击(和几分钟)从预测总谐波失真(THD)太。

如果您想了解更多，请随时浏览我们的MEMS麦克风设计页面或联系我们一个示范。我们也渴望听到任何模拟问题，你有-也许我们可以帮助?