周晨龍

摘 要：Microphone作為人機(jī)交互的重要傳感器廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)，智能手環(huán)，平板電腦及智能音響等智能設(shè)備中，特別是MEMS（Micro-Electro Mechanical System 微機(jī)電系統(tǒng)）Microphone應(yīng)用最為廣泛。其優(yōu)勢(shì)在于體積小，受溫度影響小，可使用SMT（Surface Mount Technology表面貼裝技術(shù)）制造，能夠承受無鉛制程所用的回流焊溫度。如何檢測(cè)MEMS Microphone在經(jīng)過高達(dá)260攝氏度的回流焊接及與機(jī)構(gòu)件組裝后的性能，成為電子制造生產(chǎn)過程中非常重要的一環(huán)。文章就智能音響中所用MEMS Microphone在焊接及機(jī)構(gòu)組裝后，Microphone性能的測(cè)試過程進(jìn)行闡述研究。

關(guān)鍵詞：MEMS；Microphone；智能音響；測(cè)試過程

中圖分類號(hào)：TN912.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）14-0061-02

Abstract： As an important sensor of human-computer interaction， Microphone is widely used in smart phone， smart bracelet， tablet computer， intelligent audio and other intelligent devices， especially in MEMS （Micro-Electro Mechanical System system）. It has the advantages of small size and so little effect of temperature， and can be manufactured using SMT （Surface Mount Technology）， and can withstand the reflow welding temperature used in lead-free process. How to detect the performance of MEMS Microphone after reflux welding and assembly with mechanical parts has become a very important part of the electronic manufacturing process. In this paper， the testing process of the performance of MEMS Microphone used in intelligent audio system after welding and assembly is described.

Keywords： MEMS； Microphone； intelligent audio； test process

1 概述

MEMS Microphone包含MEMS傳感器及ASIC（Application Specific Integrated Circuit-為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路），MEMS為電容傳感器將聲壓轉(zhuǎn)化為電容變化，ASIC監(jiān)控此電容變化，并將其模擬電信號(hào)傳送給ADC（Analog Digital Convert-模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化器）。其體積小，耐熱性能較強(qiáng)，在回流焊中保持8～10分鐘，同時(shí)承受回流焊中氣化的助焊劑和溶劑沖擊，焊接完成后，其性能的檢測(cè)非常重要。在回流焊后，機(jī)構(gòu)件組裝前檢測(cè)性能，將在較大程度上避免了在成品端發(fā)現(xiàn)不良而導(dǎo)致的拆機(jī)報(bào)廢。這個(gè)階段測(cè)試對(duì)象為PCBA（int Circuit Board Assembly-印刷電路板），測(cè)試過程稱之為SA（Sub-assembly-局部組裝）測(cè)試。此時(shí)的PCBA上已焊接了MEMS Microphone，ADC集成電路芯片等，具備接收聲音信號(hào)并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后傳輸給中央處理器分析的功能。如果發(fā)現(xiàn)性能不良，即可針對(duì)性進(jìn)行PCBA分析與維修。

當(dāng)SA測(cè)試通過后，經(jīng)過麥克風(fēng)保護(hù)網(wǎng)，機(jī)構(gòu)上殼及音響主體（包含喇叭及具有功放功能的主控制板）等機(jī)構(gòu)組裝后，需綜合評(píng)價(jià)麥克風(fēng)性能，此性能直接關(guān)系到使用者的體驗(yàn)感受，為了避免因機(jī)構(gòu)組裝導(dǎo)致的性能不良，影響使用，引入FA（Final Assembly-組裝后）測(cè)試，重點(diǎn)評(píng)價(jià)麥克風(fēng)在整機(jī)性能中的表現(xiàn)。

2 SA測(cè)試

2.1 測(cè)試原理及重要參數(shù)

測(cè)試對(duì)象PCBA上的單體為MEMS MIC，傳聲孔在零件底部，信號(hào)傳輸為模擬差分信號(hào)傳輸[1]。此類麥克風(fēng)通常由一片極薄的硅敏感膜和一個(gè)帶點(diǎn)極板（或背板）構(gòu)成電容結(jié)構(gòu)，通過敏感膜和極板間的電容變化來探測(cè)聲音振動(dòng)造成的敏感膜的偏移。聲波碰撞活動(dòng)極板引起兩個(gè)極板之間的間距變化，從而改變了麥克風(fēng)的電容，引起極板上電荷的不平衡，產(chǎn)生了電信號(hào)[2]。

測(cè)試通過待測(cè)PCBA與挑選的標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)之間的數(shù)據(jù)比較，得到相應(yīng)的響應(yīng)曲線，來判定良品與不良品。主要性能參數(shù)有Raw FR（Frequency Response-頻率響應(yīng)），F(xiàn)I（Fault Injection-不良注入）FR。頻率響應(yīng)是反映麥克風(fēng)對(duì)頻率動(dòng)態(tài)反應(yīng)的重要參數(shù)。在聲電轉(zhuǎn)換過程中，我們把麥克風(fēng)在恒定電壓和規(guī)定入射角聲波的作用下，各頻率聲波信號(hào)的開路輸出電壓與規(guī)定頻率麥克風(fēng)的開路輸出電壓之比，稱為麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)，單位是分貝（dB）[3]。不良注入FR的測(cè)試概念：將麥克風(fēng)傳音孔與其剩下本體分別處于兩個(gè)獨(dú)立的音腔中，在非傳音孔所處的音腔中，設(shè)置一個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)聲，測(cè)試時(shí)記錄麥克風(fēng)頻響，如果頻響被抑制，則表明麥克風(fēng)本體與PCB焊接良好，沒有或只有極其微弱的聲音從麥克風(fēng)非傳聲孔的路徑傳入MEMS傳感器。

2.2 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試所需硬件包括：獨(dú)立聲卡（創(chuàng)見聲卡），雙通道電源供應(yīng)器（型號(hào)：BK9173），功放（型號(hào)：GX3），無源喇叭（用于不良注入測(cè)試時(shí)發(fā)聲），無源音響（型號(hào)：LS50），專用音響CPU電路板（用于接收待測(cè)品-UUT傳出的電信號(hào)，CPU電路板與UUT（Unit Under Test-待測(cè)品）之間通過FPC（Flexible Printed Circuit-柔性電路板）連接），掃描槍（Scanner，用于讀取待測(cè)品條碼），測(cè)試用電腦（PC，使用網(wǎng)線與CPU通信；同時(shí)用USB接口控制電源控制器；使用串口（RS232）控制測(cè)試箱；通過聲卡及功放控制無源喇叭及LS50發(fā)聲）。虛線部分示意測(cè)試箱體，其包括兩個(gè)獨(dú)立的隔音箱體，同時(shí)兩箱體中間部分有預(yù)留小孔，便于下箱體中LS50發(fā)出的聲音傳入U(xiǎn)UT上的麥克風(fēng)傳聲孔，UUT放置于上箱體中的硅膠載具上，麥克風(fēng)傳聲孔與箱體預(yù)留小孔一一對(duì)應(yīng)，其他部分保持與下箱體隔離。

2.3 測(cè)試過程

使用LabVIEW編寫測(cè)試控制程式，并通過網(wǎng)線將CPU傳回的信號(hào)生成曲線，可直接通過觀察曲線判定麥克風(fēng)性能。測(cè)試程式通過聲卡功放驅(qū)動(dòng)LS50發(fā)出10Hz～10KHz的音源，此時(shí)麥克風(fēng)處于信號(hào)接收狀態(tài)，電源供應(yīng)器提供麥克風(fēng)偏置直流電壓3.3V，LED電源電壓5V（LED用于指示整個(gè)麥克風(fēng)陣列工作電壓是否正常），麥克風(fēng)接收到聲音信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，傳至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADC處理后將數(shù)字信號(hào)傳輸給音響專用CPU電路板進(jìn)行較復(fù)雜的內(nèi)部計(jì)算，完成后再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，將數(shù)據(jù)輸送到測(cè)試軟體，軟件解析數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較生成對(duì)應(yīng)的曲線，完成Raw FR測(cè)試。麥克風(fēng)陣列中每個(gè)麥克風(fēng)與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)中對(duì)應(yīng)位置的麥克風(fēng)FR偏差不能超過±1dB[4]。

同理，在Raw FR測(cè)試完成后，程式驅(qū)動(dòng)上音腔的無源喇叭發(fā)聲，此時(shí)麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)，為了簡(jiǎn)化測(cè)試，只分析100Hz時(shí)麥克風(fēng)頻響。如果測(cè)試結(jié)果超出上限，則表示麥克風(fēng)在SMT焊接時(shí)存在缺陷，典型的不良現(xiàn)象為接地圈焊接不密閉[5]。因量產(chǎn)階段無法通過X射線全檢所有PCBA上的麥克風(fēng)焊接點(diǎn)，故電性測(cè)試排除就顯得很關(guān)鍵。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的選擇

如上文所提，我們的測(cè)試為相對(duì)測(cè)試，即待測(cè)物測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，偏差需保證在一定范圍內(nèi)，以FR測(cè)試為例，如果麥克風(fēng)陣列中的某個(gè)位置的麥克風(fēng)FR偏差超出標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)對(duì)應(yīng)位置的麥克風(fēng)，則說明待測(cè)物的麥克風(fēng)存在問題，可能是焊接問題，也可能是麥克風(fēng)本體性能問題。焊接問題可用X射線檢測(cè)確認(rèn)；本體性能問題可用交叉驗(yàn)證法進(jìn)行排查。確認(rèn)問題點(diǎn)后，進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)[6]。

因?yàn)槭窍鄬?duì)測(cè)試，故標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)的選擇非常重要，下面我們介紹樣機(jī)的挑選過程。首先麥克風(fēng)制造廠商需準(zhǔn)備一批經(jīng)過嚴(yán)格單體測(cè)試的麥克風(fēng)，在94dB SPL，1KHz的條件下，單體敏感度為-38dBV/Pa（±1dB）。下一步，利用SMT制程將單體焊接于PCB上，形成麥克風(fēng)陣列。X射線全檢SMT焊接點(diǎn)，最后在我們搭建的測(cè)試環(huán)境中測(cè)試，得到樣機(jī)的原始曲線。被選做樣機(jī)的PCBA，陣列中每個(gè)麥克風(fēng)在1KHz頻率點(diǎn)的FR必須為0dB（±0.5dB）。樣機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)保存在測(cè)試程式固定的位置，以便測(cè)試正常待測(cè)品時(shí)程式調(diào)用比對(duì)。

3 FA測(cè)試

SA測(cè)試后，得到性能良好的PCBA，經(jīng)過一系列組裝，形成整機(jī)，即最終用戶所見成品機(jī)，可通過FA的SPL（Sound Pressure Level）測(cè)試，評(píng)價(jià)麥克風(fēng)陣列在成品機(jī)中性能，將不良品攔截在組裝代工廠內(nèi)。

3.1 測(cè)試原理及重要參數(shù)

同樣FA測(cè)試也為相對(duì)測(cè)試，將在SA挑選出來的一部分樣機(jī)組裝到整機(jī)，本文所談智能音響，麥克風(fēng)陣列組裝在整機(jī)頂部，便于多角度拾取聲音。使用SoundCheck軟體搭建軟體測(cè)試環(huán)境，利用FR及Phase（相位）兩個(gè)參數(shù)來評(píng)定性能。FR用于判定麥克風(fēng)本體性能是否在組裝過程中受到損傷，及麥克風(fēng)傳聲孔是否在組裝過程中被堵塞；Phase用于判定麥克風(fēng)的傳聲孔與機(jī)構(gòu)件預(yù)留孔之間位置的匹配性，預(yù)留孔過大過小及位置偏差，均可反映到測(cè)試曲線[7]。

3.2 測(cè)試環(huán)境和測(cè)試過程

使用只含有一個(gè)音腔的SPL測(cè)試箱，無源聲源LS50置于測(cè)試箱體頂部，待測(cè)整機(jī)置于聲源正下方，整機(jī)通過網(wǎng)線與PC通信。PC中的SoundCheck測(cè)試系統(tǒng)通過USB接口控制RME聲卡，將設(shè)置好的音源檔案?jìng)鬏斨凉Ψ臛X3，GX3將信號(hào)放大后傳給LS50，LS50按要求發(fā)出固定頻段的聲波，以便麥克風(fēng)陣列拾取。麥克風(fēng)陣列拾取到聲波，經(jīng)整機(jī)內(nèi)部的CPU處理后通過網(wǎng)線將信號(hào)傳至SounckCheck軟體生成曲線，從而判定整機(jī)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著消費(fèi)智能性電子產(chǎn)品向更便攜更穩(wěn)定的方向發(fā)展，人機(jī)交互的要求原來越高，MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)用越來越廣泛，其對(duì)醫(yī)療、汽車均有較大的吸引力。本文針對(duì)智能音箱上所應(yīng)用MEMS麥克風(fēng)陣列的測(cè)試闡述了工廠端生產(chǎn)測(cè)試的方案，所提及的測(cè)試原理及過程對(duì)不同領(lǐng)域的涉及MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用的產(chǎn)品測(cè)試是很好的借鑒。

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