阅读说明：本技术 一种激光mems麦克风 (Laser MEMS microphone ) 是由 王鸣 夏梵华 郭冬梅 夏巍 王慧鹏 郝辉 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光MEMS麦克风,包括光源和麦克风结构,麦克风结构包含衬底、背板、振动音膜、由衬底与振动音膜构成的前腔、由振动音膜和背板构成的后腔；光源为VCSEL,背板和振动音膜上均设有通过MEMS技术制作的多个声孔；VCSEL朝振动音膜出射激光束；振动音膜反射部分激光束到VCSEL谐振腔；反射的激光束携带振动音膜振动的声音信息,部分反射的激光束与VCSEL谐振腔内的激光相混合,产生激光自混合干涉效应；VCSEL的输出功率和频率发生变化,提取VCSEL上的结电压；放大解调之后转换成音频波形,实现由声音信号到电信号的转换。本发明的激光MEMS麦克风拾音信噪比高、体积小、抗电磁干扰能力强。(The invention discloses a laser MEMS microphone, which comprises a light source and a microphone structure, wherein the microphone structure comprises a substrate, a back plate, a vibration sound membrane, a front cavity formed by the substrate and the vibration sound membrane, and a rear cavity formed by the vibration sound membrane and the back plate; the light source is a VCSEL, and a plurality of sound holes manufactured by an MEMS technology are arranged on the back plate and the vibration sound film; the VCSEL emits laser beams to the vibration sound film; the vibration sound film reflects part of the laser beam to the VCSEL resonant cavity; the reflected laser beam carries sound information of vibration of the vibration sound film, and the partially reflected laser beam is mixed with laser in the VCSEL resonant cavity to generate a laser self-mixing interference effect; the output power and the frequency of the VCSEL are changed, and the junction voltage on the VCSEL is extracted; after amplification and demodulation, the signals are converted into audio waveforms, and conversion from sound signals to electric signals is achieved. The laser MEMS microphone has high pick-up signal-to-noise ratio, small volume and strong anti-electromagnetic interference capability.)

一种激光MEMS麦克风

技术领域

本发明属于传声器技术领域，特别是涉及一种通过激光将声信号转换为电信号的激光MEMS麦克风。

背景技术

麦克风是一种将声音转换为电信号的传感器。麦克风已经应用于诸如电话、助听器、录音工程、电视电台等传统领域，如今更应用于语音识别、超声波传感、自动化性能控制等现代化领域。不同原理的麦克风具有不同的方式将声波产生的气压振动转换为电信号。常见的有动圈式麦克风，振膜的振动带动悬于磁场中的线圈运动，由磁场的变化产生微弱的电压；电容式麦克风，利用振膜作为电容器的极板，两极板间距离的改变产生输出电压的改变。这两种麦克风都是依靠电荷作为媒介，容易受到电磁干扰而影响正常工作，且这两种麦克风受噪声影响大，拾音信噪比低。

微电子机械系统(Microelectromechanical systems，MEMS)或称微机电系统，指尺寸在微米甚至更小的电子机械器件。MEMS麦克风也成为麦克风芯片或硅麦克风，其中小尺寸，可靠性和经济性是关键要求。MEMS麦克风的振动音膜通过MEMS技术直接刻蚀到硅晶片上，并通常集成有前置放大器。但目前大多数MEMS麦克风是基于电容式麦克风设计的，与传统的电容式麦克风相比，仅仅是体积小了，拾音信噪比和抗电磁干扰能力并没有明显提高。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种拾音信噪比高、体积小、抗电磁干扰能力强的激光MEMS麦克风，能与其他数字产品很好集成。

技术方案：本发明的激光MEMS麦克风包括光源和麦克风结构，麦克风结构包含衬底、背板、振动音膜、由衬底与振动音膜构成的前腔、由振动音膜和背板构成的后腔；所述光源为VCSEL；衬底作为机械支撑；背板位于振动音膜的正上方；振动音膜位于VCSEL出光平面的正上方；所述背板和振动音膜上均设有通过MEMS技术制作的多个声孔，振动音膜在前腔与后腔之间振动；

所述VCSEL朝振动音膜出射激光束；振动音膜反射部分激光束到VCSEL谐振腔；反射的激光束携带振动音膜振动的声音信息，部分反射的激光束与VCSEL谐振腔内的激光相混合，产生激光自混合干涉效应；VCSEL的输出功率和频率发生变化，提取VCSEL上的结电压；放大解调之后转换成音频波形，实现由声音信号到电信号的转换。

优选地，VCSEL出射激光束时，VCSEL内的PN结处具有电压；反射的部分激光束与VCSEL谐振腔内的激光相混合时，PN结处的电压发生变化。

优选地，所述麦克风结构中的振动音膜响应介质中的声音信号，随不同频率与响度的声音信号产生相应频率和振幅的振动。

优选地，所述光源在精密恒流源的驱动下出射激光束。

优选地，所述前腔与后腔内的空气被压缩；背板上的声孔允许后腔中被压缩的空气流出，振动音膜向后腔方向移动；振动音膜上声孔允许前腔中被压缩的空气流出，振动音膜向前腔方向移动。

优选地，所述VCSEL由衬底固支，且VCSEL出光平面与衬底平面重合。

优选地，所述衬底的材质为氮化硅或者氧化硅。

优选地，所述背板的材质为二氧化硅。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)本发明提供的激光MEMS麦克风，使用激光自混合干涉效应感测声音信号，基于激光极窄的线宽可以有效降低系统噪声，提高对微弱声音的探测能力；(2)本发明的麦克风结构设计，优化了麦克风在信噪比上的声学性能，在整个音频带上获得平坦的相应；(3)本发明提供的激光MEMS麦克风，拾音信噪比高、体积小、抗电磁干扰能力强，便于实用化，容易集成于手机等数码产品上。

附图说明

图1是本发明激光MEMS麦克风的结构示意图；

图2是本发明激光MEMS麦克风振动音膜振动的示意图；

图3是本发明激光MEMS麦克风VCSEL自混合干涉示意图；

图4是本发明激光MEMS麦克风的系统框图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1和图4所示，本发明提供的激光MEMS麦克风，包括光源1和麦克风结构，麦克风结构包含衬底2、背板3、振动音膜4、由衬底2与振动音膜4构成的前腔5、由振动音膜4和背板3构成的后腔6；在本实施例中，光源1为VCSEL(vertical-cavity surface-emittinglaser，垂直腔面发射激光器)，其阈值电流小、发散角小、频率稳定等特点很适合在本发明紧凑的结构中应用。本实施例中具体选用中心波长850nm，典型功率0.5mW，发散角10°的VCSEL。光源1在驱动电源的驱动下，出射激光束。在本实施例中，驱动电源为精密恒流源，其能驱动VCSEL出射横向均匀分布、频率稳定的激光束。

衬底2作为机械支撑，固支VCSEL，使其光路按所需准直，激光垂直入射于振动音膜4表面。背板3与振动音膜4均固支于衬底2，衬底2的材质可以采用氮化硅、氧化硅，在本实施例中，衬底2的材质选择氮化硅。氮化硅是一种白色的高熔点固体，具有很好的热稳定性和惰性的化学性质。良好的热稳定性和化学稳定性有利于保持整个激光MEMS麦克风结构和性能的稳定。

背板3位于振动音膜4的正上方，背板3与振动音膜4构成麦克风后腔6。背板3上设有通过MEMS技术制作的多个声孔7，在本实施例中，声孔7的直径为10um。后腔6中被压缩的空气从背板3上的声孔7流出，振动音膜4向后腔6方向移动。在本实施例中，背板3的材质使用二氧化硅，也具有稳定的化学性质，维持后腔6结构，使声学性能不受环境影响。

振动音膜4位于VCSEL出光平面9的正上方。衬底2与振动音膜4构成麦克风前腔5。振动音膜4上也设有通过MEMS技术制作的多个声孔7，在本实施例中，声孔7的直径为10um。前腔5中被压缩的空气从振动音膜4上声孔7的流出，振动音膜4向前腔5方向移动。背板3与振动音膜4上均设有声孔7，允许空气在前腔5与后腔6中流动，形成声学结构，从而使振动音膜4更灵敏地响应声学信号，产生相应振动。

如图1和图4所示，将激光MEMS麦克风置于收声环境，精密恒流源为VCSEL提供恒流驱动直到VCSEL达到出光阈值电流之上，VCSEL朝振动音膜4出射频率稳定的激光束，此时，VCSEL的PN结8处具有电压，测量PN结8处的结电压；

激光束到达振动音膜4端面时，由于振动音膜4位于VCSEL出光端面的正前方，因此振动音膜4将反射部分射光束到VCSEL谐振腔；

当声波传播至振动音膜4时，振动音膜4由于声压的作用产生相应的周期性机械形变，振动音膜4与VCSEL之间的距离发生改变。反射的激光束携带了使振动音膜4发生振动的声音信息，部分反射的激光束返回到激光器谐振腔内，并与VCSEL谐振腔内的激光相混合，发生激光自混合干涉效应；

在反射的部分激光束与VCSEL谐振腔内的光相混合时，VCSEL的输出功率和频率发生变化，提取此时VCSEL的PN结8上电压，该变化与声音信号的成线性关系。根据强度解调原理，通过对结电压进行提取和放大解调，转换成音频波形，实现振动音膜4运动的重构，并进行数据拟合和定标计算，最终实现由声音信号到电信号的转换。

如图1和图2所示，由于振动音膜4周边固支于衬底2中，在声波信号驱动下，振动音膜4发生振动，衬底2的形态保持不变处于稳态。由弹性力学原理可知，对于最大形变量不超过膜片厚度30％的微小形变且厚度均匀的膜片来说，一个周边固支的圆形薄板，其中心挠度y与压力P的关系为：

其中P为施加在圆形振动音膜4上的压力，r为膜的半径，E为杨氏模量，h为膜的厚度，υ是泊松比，Y是音膜4的中心挠度。通常情况下，膜片中心挠度满足y<<h/2，因此上述关系可以近似为：

如图1和图3所示，VCSEL由衬底2支固，出光平面9与衬底2平面重合，使振动音膜4的法向与VCSEL的光轴方向一致。反射的部分激光束与VCSEL谐振腔内的光相混合时，发生激光自混合干涉效应。激光自混合干涉可以用三镜腔模型解释，振动幅度较小时可认为外腔反馈系数不变，可得激光自混合干涉信号强度：

P＝P₀[1+m cos(ωτ)]

其中，P0是光反馈时的初始光强，m是强度调制系数，τ是激光在外腔往返时间。