AN-1124: ADI底部收音孔MEMS麦克风防尘防液体渗入密封建议
简介
本应用笔记介绍一种由橡胶、硅橡胶等软材料制成的密 封,以防止底部收音孔PCB安装麦克风被灰尘和液体侵 入。所述方案对性能的不利影响少,同时实现防水系统设 计。
本应用笔记讨论如下主题:
- 设计理论
- 设计参数和材料
- 实验结果
设计概念
ADI公司底部收音孔MEMS麦克风可以通过回流焊直接焊 接到PCB上。PCB上需要开一个孔,以便将声音传入麦克 风封装。此外,容纳PCB和麦克风的外罩还有一个开口, 以便使麦克风与外部环境相通。
在普通实施方案中,麦克风暴露在外界环境下。在苛刻的 外界环境下,水或其它液体可能会进入麦克风空腔内,影 响麦克风性能和音质。液体渗入还可能会永久性损坏麦克 风。本应用笔记阐述如何防止麦克风由此而受损,使其适 用于潮湿多尘环境,包括完全浸没。
设计说明
提供保护很容易,在麦克风前面放上一片软橡胶之类的密 封即可。相比麦克风收音孔的声学阻抗,设计中这种密封 充分降低其声学阻抗。设计得当时,密封不会影响麦克风 灵敏度,只会稍微影响一点频率响应,局限于高音范围。
底部收音孔麦克风始终安装在PCB板上。在这种设计中, PCB板外侧面覆盖有一层硅橡胶等柔性防水材料。该柔性 材料层可以作为键盘或数字键盘的一部分,也可整合在工 业设计中。如图1所示,这层材料应在PCB内的音孔前部形 成一个空腔,提高薄膜的机械一致顺从性。该柔性薄膜起 到保护麦克风的作用,应尽可能薄。
薄膜的韧度随立方体的厚度而增加,因此为应用选择尽可 能薄的材料可以尽可能降低频率响应的影响。一个大(相对 于麦克风收音孔和PCB内的孔而言)直径空腔和该薄层柔软 薄膜共同形成一个阻抗相对较低的声学回路。这个低阻抗 (相对于麦克风输入阻抗而言)降低信号损失。空腔直径约 为声音端口的2×至4×,空腔的高度应介于0.5 mm和1.0 mm 之间。

图1. 底部收音孔麦克风密封结构截面
薄膜材料
选择薄膜材料时应确保声音阻抗尽可能低。柔软的柔性橡 胶材料薄层最适合这种应用。本文所述的大部分测量以一 层0.01英寸厚35A硬度硅橡胶(McMaster-Carr,产品型号 86435K31)作为密封进行的。一些测量也使用0.002英寸厚 透明低密度聚乙烯(LPDE)膜来完成。
实验数据
若干实验的目的是为了测试密封对底部收音孔麦克风性能 的影响。麦克风放在一个接触器内,可以轻松更换密封材 料并直接与未密封的情况进行比较。
建立基线响应
底部收音孔MEMS麦克风固定在一个接触器内,可在正常 测试条件下进行测试,建立图2所示的基线灵敏度。不同 MEMS麦克风的灵敏度差异在图中的表现只是该线上下移 动,而不会改变其形状。

图2. 底部收音孔MEMS麦克风的基线响应
添加垫片后的响应
在麦克风前部添加了两种不同的垫片(垫圈)以不使用密封 膜而建立空腔(见图1)。这用来测试空腔本身对响应的影 响。结果显示无密封膜空腔的影响为最低。图3显示垫片 所形成的空腔只有略微增加高频响应的影响。

图3. 添加垫片、无密封(虚线)时的麦克风响应
带保护密封时的响应
我们使用两种不同的保护密封材料和两种不同的垫片尺寸 来模拟各种设计方案。所有结果表明灵敏度无变化,高频 响应有一些波动。图4显示原始麦克风响应被四种不同垫 片/密封组合响应覆盖(虚线所示)。在特定应用中的实际响 应受麦克风位置、薄膜和麦克风之间的空腔尺寸以及薄膜 材料影响。图5所示为垫片和实验构造的截面。图5和图1 的唯一不同之处在于,图5显示垫片和薄膜作为密封组件 的两个独立部件,而不是薄膜包含密封的所有部件。

图4. 带不同保护密封材料的麦克风响应

图5. 实验密封结构的截面
结论
一种简易有效的底部收音孔麦克风低成本防尘防液体渗入 解决方案介绍完毕。试验结果表明,对麦克风灵敏度没有 任何不利影响,只是略微改变高频响应。对于麦克风需要 全面防尘防防液体的许多应用中,高频响应波动处于目标 频带外,因此不影响整体音质。