聲級(jí)計(jì)（Sound Level Meter，簡稱SLM）的主要成本是測量級(jí)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(jí)計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dòng)而發(fā)展。但是，在設(shè)計(jì)高品質(zhì)聲級(jí)計(jì)時(shí)也需要考慮它們的特性。
注：聲級(jí)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，可以模擬人耳對(duì)聲波反應(yīng)速度的時(shí)間特性；對(duì)高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時(shí)改變頻率特性的強(qiáng)度特性。 聲級(jí)計(jì)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(jí)和納米級(jí)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(jí)（甚至芯片級(jí)）集成了放大和數(shù)字采樣芯片，從而直接提供數(shù)字信號(hào)，降低了系統(tǒng)或儀器的其它部分成本。此外，在器件級(jí)直接集成模數(shù)電路也消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)MEMS麥克風(fēng)的個(gè)體特性極其一致。它們具有非常線性（在1kHz/94dB SPL時(shí)，總諧波失真（Harmonic Distortion，簡稱HD）為0.1%或更優(yōu)），且動(dòng)態(tài)范圍也很寬（通常優(yōu)于30dBA至120dBA）。此外，MEMS麥克風(fēng)對(duì)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(duì)振動(dòng)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(jià)格也非常便宜。它們的靈敏度隨時(shí)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(jì)的理想選擇。當(dāng)然，若想設(shè)計(jì)高效的聲級(jí)計(jì)，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(jí)提供數(shù)字信號(hào)，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(jí)計(jì)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(jí)計(jì)設(shè)計(jì)包括一個(gè)單獨(dú)的麥克風(fēng)振腔，驅(qū)動(dòng)一個(gè)模擬處理鏈或者一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），然后是一個(gè)數(shù)字處理鏈。這就要求使用電信號(hào)代替麥克風(fēng)來測試聲級(jí)計(jì)。而MEMS麥克風(fēng)在器件級(jí)完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換，這意味著，即使聲級(jí)計(jì)可能具有符合某個(gè)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(duì)其進(jìn)行測試。
圖2：無線聲級(jí)計(jì)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(dòng)態(tài)壓力（通常高于160 dB-SPL）也會(huì)對(duì)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(duì)此諧振進(jìn)行校正，以使聲級(jí)計(jì)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(jí)計(jì)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
設(shè)計(jì)和制造有效的聲級(jí)計(jì)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(duì)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(gè)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(shí)別和優(yōu)化每個(gè)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(duì)于理論dB-C響應(yīng)
