MEMS麦克风和扬声器

MEMS麦克风和扬声器

MEMS 音频器件在小型化和性能方面面临挑战。研究人员正在开发新的设计和材料，以提高音质、效率和方向性，为智能手机、可穿戴设备和智能家居设备的创新音频体验铺平道路。

一、MEMS 麦克风

典型MEMS麦克风结构图

1. 电容式麦克风

典型MEMS电容麦克风的结构示意图

电容式麦克风的工作原理是振膜响应声波的运动引起的电容变化

由一个固定背板和一个可移动的隔膜组成，形成一个可变电容器

声波导致振膜振动，从而导致振膜和背板之间的电容发生变化

使用前置放大器电路将电容变化转换为电信号

与其他类型的麦克风（驻极体和压电式）相比，具有高灵敏度、宽频率响应和低噪声水平

常用于智能手机、笔记本电脑和智能家居设备，用于语音识别和录音应用

不同类型的电容式MEMS麦克风

2. 压电麦克风

压电麦克风利用压电效应将声波转换为电信号

包含压电材料（石英、PZT），当受到声波引起的机械应力时会产生电荷

声波使压电材料变形，产生与声压成正比的电压

提供宽动态范围，可承受高声压级而不会失真

适用于需要高声学过载点（AOP）的应用，例如工业环境中或靠近嘈杂的声源（喷气发动机、爆炸）

压电MEMS麦克风的结构

二、MEMS 扬声器

MEMS扬声器

小型化和集成化

MEMS 扬声器旨在将传统扬声器技术小型化，以便集成到紧凑型电子设备中

利用微加工技术在硅衬底上制造扬声器组件

小型化允许开发适用于便携式设备（耳塞、智能手表）的小型扬声器

将 MEMS 扬声器与其他电子元件集成在单个芯片上，可减小器件的整体尺寸和成本

支持开发新颖的音频应用程序，例如定向声音和个性化音频体验

声学换能器机制

MEMS 扬声器使用各种声学换能器机制将电信号转换为声波

压电 MEMS 扬声器利用逆压电效应来产生声音

对压电材料施加电场会导致其变形并产生声波

静电 MEMS 扬声器基于静电吸引原理工作

由一个固定的穿孔背板和一个可移动的膜组成

在背板和膜之间施加电压会产生静电力，导致膜振动并产生声音

图片

动圈 MEMS 扬声器通过电磁感应产生声音

利用载有可变电流的导体或线圈在恒定磁场中的运动推动振膜（或声辐射体） ， 对外辐射声波。 

热声 MEMS 扬声器通过空气的热膨胀产生声音

快速加热和冷却薄膜会在周围空气中产生压力变化，从而产生声波

挑战与进步

与传统扬声器相比，MEMS 扬声器在实现高声压级 （SPL） 、低频响应和频响带宽方面面临挑战

研究人员正在开发先进的 MEMS 扬声器设计，以改善性能特征

优化扬声器组件的几何形状和材料，以提高音质和效率

研究新型驱动机制，例如压电和热声换能器，以克服静电扬声器的局限性

MEMS 制造技术的进步使多个扬声器元件能够集成到单个芯片上，以改善声音输出和方向控制

正在进行的研究重点是： 1）提高 MEMS 扬声器的功耗效率和可靠性，以延长便携式设备的电池寿命； 2）提高低频重放下限和声压级。

三、MEMS扬声器+麦克风二合一

SonicTwin代表着扬声器和麦克风功能在一个封装中的独特融合。虽然传统上它们是独立的组件，但Sonicedge的技术在一个统一的解决方案中实现了声音生成和传感 - 因此“Twin”功能集成到一个设备中。SonicTwin 的尺寸仅为 8 x 4 x 1 毫米，结合了先进的声音生成和传感功能，为紧凑型音频创新树立了新标杆。

优势

体积缩小 10 倍，无限可能

增强主动降噪（ANC）

简化生产，放大创新

四、性能特点

频率响应和灵敏度

频率响应是指 MEMS 麦克风或扬声器可以准确再现的频率范围

MEMS 麦克风通常在很宽的范围内（20 Hz 至 20 kHz）具有平坦的频率响应，以准确捕获各种声源

MEMS 扬声器旨在实现宽频率响应，以忠实再现音频内容

灵敏度表示麦克风或扬声器将声压或电信号转换为输出信号的能力

MEMS 麦克风的灵敏度更高，因此在给定的声压级下会产生更强的输出信号

具有较高灵敏度的 MEMS 扬声器需要更少的功率来产生给定的声压级

信噪比和指向性

信噪比 （SNR） 是 MEMS 麦克风或扬声器中信号与背景噪声的比率

更高的 SNR 表示更好的音质和更清晰的音频捕获或再现

具有高 SNR 的 MEMS 麦克风即使在嘈杂的环境（拥挤的地方、户外环境）也能捕获干净的音频

具有高 SNR 的 MEMS 扬声器可以以最小的失真和底噪再现音频内容

指向性是指麦克风或扬声器从特定方向捕获或再现声音的能力

MEMS 麦克风可以设计为具有定向模式（全向、单向），以专注于来自特定方向的声源

全向麦克风从各个方向均匀捕获声音

单向麦克风（心形、超心形）对来自前方的声音更敏感，而对来自侧面和后方的声音不太敏感

MEMS 扬声器可以排列成阵列，以实现定向声音再现

波束成形技术可用于控制声音传播的方向

支持消费类设备（智能手机、笔记本电脑）中的虚拟环绕声和个性化音频区域等应用