聲級計（Sound Level Meter，簡稱SLM）的主要成本是測量級麥克風(fēng)，如0.5英寸反應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma，簡稱ICP）麥克風(fēng)。高昂的麥克風(fēng)成本限制了聲級計在如建筑工地監(jiān)測或環(huán)境研究等諸多儀器中的應(yīng)用。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，簡稱MEMS）麥克風(fēng)成為了傳統(tǒng)ICP麥克風(fēng)的高性能替代產(chǎn)品，成本至少降低兩個數(shù)量級。MEMS麥克風(fēng)的高品質(zhì)主要是受到消費(fèi)電子市場需求的驅(qū)動而發(fā)展。但是，在設(shè)計高品質(zhì)聲級計時也需要考慮它們的特性。
注：聲級計是最基本的噪聲測量儀器，它是一種電子儀器，但又不同于電壓表等客觀電子儀表。在把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號時，可以模擬人耳對聲波反應(yīng)速度的時間特性；對高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時改變頻率特性的強(qiáng)度特性。 聲級計是一種主觀性的電子儀器。
MEMS是一種微型機(jī)電系統(tǒng)，采用與制造微電子電路相同的材料（通常是硅）和蝕刻技術(shù)進(jìn)行制造（見圖1）。這些技術(shù)可以構(gòu)建具有高精度和可重復(fù)性的微米級和納米級結(jié)構(gòu)。MEMS麥克風(fēng)體積非常小，但靈敏度很高（本底噪聲通常優(yōu)于30dBA）。許多MEMS麥克風(fēng)在器件級（甚至芯片級）集成了放大和數(shù)字采樣芯片，從而直接提供數(shù)字信號，降低了系統(tǒng)或儀器的其它部分成本。此外，在器件級直接集成模數(shù)電路也消除了傳統(tǒng)設(shè)計中耦合到模擬輸入線的電磁噪聲。
圖1：毫米刻度與MEMS麥克風(fēng)尺寸對比示意
MEMS麥克風(fēng)使用嚴(yán)格控制的微蝕刻工藝制造，故每個MEMS麥克風(fēng)的個體特性極其一致。它們具有非常線性（在1kHz/94dB SPL時，總諧波失真（Harmonic Distortion，簡稱HD）為0.1%或更優(yōu)），且動態(tài)范圍也很寬（通常優(yōu)于30dBA至120dBA）。此外，MEMS麥克風(fēng)對溫度變化的敏感性很小，同樣地，它們的麥克風(fēng)振膜小巧輕薄，以至于對振動的敏感性比靜電式麥克風(fēng)低10倍以上。另外，MEMS麥克風(fēng)大規(guī)模供應(yīng)消費(fèi)電子市場，因此價格也非常便宜。它們的靈敏度隨時間變化依然非常穩(wěn)定，通常不需要重新校準(zhǔn)即可保持在I型規(guī)范的范圍內(nèi)。
MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)和封裝示意圖
這些優(yōu)勢使MEMS麥克風(fēng)成為設(shè)計的理想選擇。當(dāng)然，若想設(shè)計高效的聲級計，MEMS麥克風(fēng)還需彌補(bǔ)一些缺陷。
由于MEMS麥克風(fēng)是在器件級提供數(shù)字信號，因此無法從電路中單獨(dú)移出壓力敏感腔，并單獨(dú)測試模擬鏈路。而聲級計的所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都編寫于20世紀(jì)70年代，并假設(shè)聲級計設(shè)計包括一個單獨(dú)的麥克風(fēng)振腔，驅(qū)動一個模擬處理鏈或者一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），然后是一個數(shù)字處理鏈。這就要求使用電信號代替麥克風(fēng)來測試聲級計。而MEMS麥克風(fēng)在器件級完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換，這意味著，即使聲級計可能具有符合某個標(biāo)準(zhǔn)所需的性能，也無法使用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法對其進(jìn)行測試。
圖2：無線聲級計數(shù)據(jù)記錄器
由于MEMS麥克風(fēng)硅結(jié)構(gòu)的尺寸非常小，即便是微小的灰塵顆粒也很容易進(jìn)入麥克風(fēng)腔體進(jìn)而損壞它們。極高的靜態(tài)和動態(tài)壓力（通常高于160 dB-SPL）也會對這些小型硅結(jié)構(gòu)造成損壞。
MEMS麥克風(fēng)通常在10kHz至20kHz范圍內(nèi)具有尖銳的諧振。需要對此諧振進(jìn)行校正，以使聲級計的頻率響應(yīng)落在適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的限制線之內(nèi)。
基于MEMS的聲級計設(shè)計與應(yīng)用
設(shè)計和制造有效的聲級計需要克服上述缺點(diǎn)，最重要的因素是確保頻率響應(yīng)相對于指定的理論加權(quán)響應(yīng)（dB-A、dB-C或dB-Z）是平坦的。MEMS麥克風(fēng)的高頻諧振和阻尼因個體而異，因此，精確測量諧振并優(yōu)化校正濾波器以平坦響應(yīng)是非常重要的。在生產(chǎn)過程中，Convergence Instruments使用自適應(yīng)濾波器技術(shù)來識別和優(yōu)化每個加權(quán)因子的校正濾波器。
圖3：未校正的MEMS麥克風(fēng)響應(yīng)誤差，相對于理論dB-C響應(yīng)
這一過程完全自動化，每臺儀器耗時30秒。圖3、4和5顯示了未經(jīng)校正的麥克風(fēng)以及經(jīng)過校正濾波后的麥克風(fēng)相對于理論dB-C響應(yīng)的誤差。有兩種方法可用于響應(yīng)校正。
方法1：作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求響應(yīng)在20Hz至10kHz之間保持平坦。高于10kHz時，它必須精確遵循IEC61672-2002 I型的兩條限制線之間的中心點(diǎn)。這為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)提供了最佳余量（見圖4）。
圖4：校正dB-C加權(quán)因子后的響應(yīng)誤差（方法1）
方法2：作為特殊要求，Convergence Instruments還可以將響應(yīng)平坦到20kHz（見圖5）。
圖5：校正dB-C加權(quán)因子后的響應(yīng)誤差（方法2）
使用ePTFE膜可以對抗灰塵，這種膜的孔隙率極小，可以阻止任何灰塵甚至液體進(jìn)入麥克風(fēng)腔。用于MEMS麥克風(fēng)的最佳ePTFE膜具有約1db的衰減，且具有輕微的頻率依賴性，因此，在將膜放置于麥克風(fēng)之后進(jìn)行頻率響應(yīng)校正時，須將其頻率依賴性考慮在內(nèi)。
由于靜態(tài)或動態(tài)超壓而導(dǎo)致的MEMS麥克風(fēng)損壞無法抵消，該漏洞也須引起注意。MEMS麥克風(fēng)在硅結(jié)構(gòu)中設(shè)計有均壓孔，但在低頻段，均壓時間常數(shù)較長，這意味著壓力的快速變化會損壞麥克風(fēng)。導(dǎo)致超壓的典型情況是將麥克風(fēng)插入校準(zhǔn)器。160dB-SPL的絕對最大壓力極限意味著僅為0.02個大氣壓。通過將麥克風(fēng)插入校準(zhǔn)器就可以達(dá)到絕對最大壓力極限，因此，必須盡可能緩慢地將麥克風(fēng)插入校準(zhǔn)器（或從校準(zhǔn)器中取出），以使麥克風(fēng)最大限度平衡壓力，避免損壞。還需注意的是，MEMS麥克風(fēng)不是測量高壓聲脈沖（如爆炸或槍聲）的最佳選擇。在此類應(yīng)用中，必須確保測量位置的峰值壓力未達(dá)到絕對最大壓力水平。
結(jié)論
由于MEMS麥克風(fēng)是為消費(fèi)市場設(shè)計和制造的，因此它們能夠以低成本獲取高品質(zhì)的信號。MEMS制造技術(shù)可確保每個麥克風(fēng)的參數(shù)高度一致，它們在時間和溫度上都非常穩(wěn)定。MEMS麥克風(fēng)的高頻諧振必須被精確抵消，才能獲得足夠精確的頻譜靈敏度，滿足I型聲級計的要求，這需要先進(jìn)的信號處理技術(shù)。然而，考慮到當(dāng)今處理器的強(qiáng)大計算能力，這并不會顯著增加儀器成本。
鑒于消費(fèi)電子市場對MEMS麥克風(fēng)的要求越來越高，MEMS麥克風(fēng)提供的信號質(zhì)量正在不斷提高。Convergence Instruments預(yù)計，在可預(yù)見的未來，MEMS麥克風(fēng)在聲音測量方面的應(yīng)用將持續(xù)增長。（作者：麥姆斯咨詢殷飛）
