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电容式微麦克风结构原理

Time:2019-04-09 Views:611
压电式(Piezoelectric)、压阻式(Piezoresistive)与电容式(Capacitive)是目前常见的微麦克风技术。压电式麦克风利用压电材料受力后会输出电流或电压的特性,将声音讯号转换成电讯号,并在经过放大之后输出,而压阻式麦克风是利用压阻材料在受力之后电阻特性发生改变。通常上述两款麦克风对声压的敏感度较低、并且系统杂讯较大。由于电容式微麦克风具有高感度及低功耗等优良特性,是目前市场发展的主流。
 
如图(1)所示,电容式麦克风的结构主要利用两片导电板及两板之间的绝缘空气层来形成一基本电容构造,此两片导电板通常分别被称为“振膜”( Membrane)与“背板”(Backplate)。理想的振膜为一极柔软的弹性薄膜,受到声压作用时会产生振动,因而产生微小距离改变,造成振膜和背板之间的动态微位移,因此使该结构的电容值亦随之改变。
 
图1 电容式麦克风的结构原​​理
如图(2)所示,MEMS麦克风的感测器晶片构造通常是由一层较薄且低应力的复晶矽或氮化矽形成振膜,另以一较厚的复晶矽或是金属层形成具有多孔结构的背板,共同形成一组以空气作为介电层的微电容器构造。除了必要的MEMS感测器之外,在MEMS麦克风的封装体内通常还须搭配另一颗电路晶片,提供给该MEMS晶片正常操作时需要的稳定偏压、并将讯号经过放大处理后输出,一般泛称为ASIC (Application-Specific IC)。
 
图2 MEMS 麦克风感测晶片的构造示意图
 
MEMS麦克风使用的ASIC因产品应用类别不同,区分为类比式和数位式两款。类比式的ASIC其基本架构主要是由“倍压电路”(Charge Pump)、“电压稳定器”(Voltage Regulator)及“放大器”(Amplier)三大功能区块的电路所组成。
 
倍压电路目的是藉由对输入的电源进行增压处理,以提供MEMS晶片所需之较高操作电压。放大器电路功用在于放大及稳定输入讯号。电压稳定器的功能则是在ASIC电源输入端提供稳压处理,使晶片内部各电路区块皆能正常运作。而数位式ASIC除了同时具备上述三项基本功能区块之外,还增加了所谓“三角积分调变器”(Sigma Delta Modulator)电路,来负责讯号的取样与抑制杂讯等任务。
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