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智能音箱中MEMS麦克风性能测试的实现过程

1 概述MEMS麦克风包含MEMS传感器芯片及ASIC(Application Specific Integrated Circuit,为专门目的而设计的集成电路)芯片,MEMS电容传感器芯片将声压转化为电容变化,ASIC芯片监控此电容变化,并将其模拟电信号传送给ADC(Analog Digital Convert, 模拟数字信号转化器)。其体积小,耐热性能较强,在回流焊中保持8~10分钟,同时承受回流焊中气化的助焊剂和溶剂冲击,焊接完成后,其性能的检测非常重要。在回流焊后,机构件组装前检测性能,将在较大程度上避免了在成品端发现不良而导致的拆机报废。这个阶段测试对象为PCBA(Print Circuit Board Assembly),测试过程称之为SA(Sub assembly)测试。此时的PCBA上已焊接了MEMS麦克风,ADC集成电路芯片等,具备接收声音信号并转换为模拟信号后传输给中央处理器分析的功能。如果发现性能不良,即可针对性进行PCBA分析与维修。

当SA测试通过后,经过MEMS麦克风保护网,机构上壳及智能音箱主体(包含喇叭及具有功放功能的主控制板)等机构组装后,需综合评价MEMS麦克风性能,此性能直接关系到使用者的体验感受,为了避免因机构组装导致的性能不良,影响使用,引入FA(Final Assembly)测试,重点评价MEMS麦克风在整机性能中的表现。2 SA测试2.1 测试原理及重要参数测试对象PCBA上的单体为MEMS麦克风,传声孔在零件底部,信号传输为模拟差分信号传输。此类麦克风通常由一片极薄的硅敏感膜和一个带点极板(或背板)构成电容结构,通过敏感膜和极板间的电容变化来探测声音振动造成的敏感膜的偏移。声波碰撞活动极板引起两个极板之间的间距变化,从而改变了麦克风的电容,引起极板上电荷的不平衡,产生了电信号。测试通过待测PCBA与挑选的标准样机之间的数据比较,得到相应的响应曲线,来判定良品与不良品。主要性能参数有Raw FR(Frequency Response,频率响应),FI(Fault Injection,不良注入)FR。频率响应是反映MEMS麦克风对频率动态反应的重要参数。在声电转换过程中,我们把麦克风在恒定电压和规定入射角声波的作用下,各频率声波信号的开路输出电压与规定频率麦克风的开路输出电压之比,称为麦克风的频率响应,单位是分贝(dB)。不良注入FR的测试概念:将麦克风传音孔与其剩下本体分别处于两个独立的音腔中,在非传音孔所处的音腔中,设置一个扬声器发声,测试时记录麦克风频响,如果频响被抑制,则表明麦克风本体与PCB焊接良好,没有或只有极其微弱的声音从麦克风非传声孔的路径传入MEMS传感器。2.2 测试环境测试所需硬件包括:独立声卡(创见声卡),双通道电源供应器(型号:BK9173),功放(型号:GX3),无源喇叭(用于不良注入测试时发声),无源音箱(型号:LS50),专用音箱CPU电路板(用于接收待测品,UUT传出的电信号,CPU电路板与UUT(Unit Under Test,待测品)之间通过FPC(Flexible Printed Circuit,柔性电路板)连接),扫描枪(Scanner,用于读取待测品条码),测试用电脑(PC,使用网线与CPU通信;同时用USB接口控制电源控制器;使用串口(RS232)控制测试箱;通过声卡及功放控制无源喇叭及LS50发声)。虚线部分示意测试箱体,其包括两个独立的隔音箱体,同时两箱体中间部分有预留小孔,便于下箱体中LS50发出的声音传入UUT上的麦克风传声孔,UUT放置于上箱体中的硅胶载具上,麦克风传声孔与箱体预留小孔一一对应,其他部分保持与下箱体隔离。2.3 测试过程使用LabVIEW编写测试控制程式,并通过网线将CPU传回的信号生成曲线,可直接通过观察曲线判定麦克风性能。测试程式通过声卡功放驱动LS50发出10 Hz~10 KHz的音源,此时麦克风处于信号接收状态,电源供应器提供麦克风偏置直流电压3.3 V,LED电源电压5 V(LED用于指示整个麦克风阵列工作电压是否正常),麦克风接收到声音信号后,将其转化为模拟电信号,传至模数转换芯片,ADC处理后将数字信号传输给音箱专用CPU电路板进行较复杂的内部计算,完成后再通过网络传输,将数据输送到测试软体,软件解析数据与标准样机的测试数据进行比较生成对应的曲线,完成Raw FR测试。麦克风阵列中每个麦克风与标准样机中对应位置的麦克风FR偏差不能超过±1dB。同理,在Raw FR测试完成后,程式驱动上音腔的无源喇叭发声,此时麦克风接收声音信号,为了简化测试,只分析100 Hz时麦克风频响。如果测试结果超出上限,则表示麦克风在SMT焊接时存在缺陷,典型的不良现象为接地圈焊接不密闭。因量产阶段无法通过X射线全检所有PCBA上的麦克风焊接点,故电性测试排除就显得很关键。2.4 标准样机的选择如上文所提,我们的测试为相对测试,即待测物测试结果与标准样机测试结果进行比对,偏差需保证在一定范围内,以FR测试为例,如果麦克风阵列中的某个位置的麦克风FR偏差超出标准样机对应位置的麦克风,则说明待测物的麦克风存在问题,可能是焊接问题,也可能是麦克风本体性能问题。焊接问题可用X射线检测确认;本体性能问题可用交叉验证法进行排查。确认问题点后,进行针对性修复。因为是相对测试,故标准样机的选择非常重要,下面我们介绍样机的挑选过程。首先麦克风制造厂商需准备一批经过严格单体测试的麦克风,在94 dB SPL,1 KHz的条件下,单体敏感度为-38 dBV/Pa(±1 dB)。下一步,利用SMT制程将单体焊接于PCB上,形成麦克风阵列。X射线全检SMT焊接点,最后在我们搭建的测试环境中测试,得到样机的原始曲线。被选做样机的PCBA,阵列中每个麦克风在1 KHz频率点的FR必须为0 dB(±0.5 dB)。样机的测试数据保存在测试程式固定的位置,以便测试正常待测品时程式调用比对。3 FA测试SA测试后,得到性能良好的PCBA,经过一系列组装,形成整机,即最终用户所见成品机,可通过FA的SPL(Sound Pressure Level)测试,评价麦克风阵列在成品机中性能,将不良品拦截在组装代工厂内。3.1 测试原理及重要参数同样FA测试也为相对测试,将在SA挑选出来的一部分样机组装到整机,本文所谈智能音箱,麦克风阵列组装在整机顶部,便于多角度拾取声音。使用Sound Check软体搭建软体测试环境,利用FR及Phase(相位)两个参数来评定性能。FR用于判定麦克风本体性能是否在组装过程中受到损伤,及麦克风传声孔是否在组装过程中被堵塞;Phase用于判定麦克风的传声孔与机构件预留孔之间位置的匹配性,预留孔过大过小及位置偏差,均可反映到测试曲线。3.2 测试环境和测试过程使用只含有一个音腔的SPL测试箱,无源声源LS50置于测试箱体顶部,待测整机置于声源正下方,整机通过网线与PC通信。PC中的Sound Check测试系统通过USB接口控制RME声卡,将设置好的音源档案传输至功放GX3,GX3将信号放大后传给LS50,LS50按要求发出固定频段的声波,以便麦克风阵列拾取。麦克风阵列拾取到声波,经整机内部的CPU处理后通过网线将信号传至Sound Check软体生成曲线,从而判定整机性能。4 结束语随着消费智能性电子产品向更便携更稳定的方向发展,人机交互的要求原来越高,MEMS麦克风的应用越来越广泛,其对医疗、汽车均有较大的吸引力。本文针对智能音箱上所应用MEMS麦克风阵列的测试阐述了工厂端生产测试的方案,所提及的测试原理及过程对不同领域的涉及MEMS麦克风应用的产品测试是很好的借鉴。

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