Måske husker du marketingkampagnen fra for et par år siden med sætningen “Kan du høre mig nu?” Flere og flere enheder, der designes i dag, lige fra wearables til hjemmeassistenter, bliver bedt om at “høre” deres omgivelser. Den rigtige mikrofon gør det muligt for applikationer at opfange næsten enhver lyd nøjagtigt, og de to mest almindelige teknologier, der anvendes til at konstruere mikrofoner, er MEMS og electretkondensator. Selv om de to teknologier fungerer efter samme principper, er der mange anvendelsesmuligheder for at vælge den ene frem for den anden. Med det in mente vil vi gennemgå MEMS- og electret-kondensatormikrofoner grundlæggende, sammenligne forskellene mellem teknologierne og skitsere fordelene ved hver løsning.
MEMS-mikrofongrundlag
MEMS-mikrofoner er konstrueret med en MEMS-komponent (Micro-Electro-Mechanical System), der er placeret på et printkort (PCB) og beskyttet med et mekanisk dæksel. Der er fremstillet et lille hul i huset for at lade lyden komme ind i mikrofonen og betegnes enten som top-portet, hvis hullet er i det øverste dæksel, eller bund-portet, hvis hullet er i printpladen. MEMS-komponenten er ofte konstrueret med en mekanisk membran og en monteringsstruktur, der er skabt på en halvleder die.
Typisk MEMS-mikrofonkonstruktion
MEMS-membranen danner en kondensator, og lydtryksbølger forårsager en bevægelse af membranen. MEMS-mikrofoner indeholder typisk en anden halvlederdimension, der fungerer som en lydforstærker, som konverterer MEMS’ens ændrede kapacitans til et elektrisk signal. Udgangen fra lydforstærkeren leveres til brugeren, hvis der ønskes et analogt udgangssignal. Hvis der ønskes et digitalt udgangssignal, er der en analog-til-digital-konverter (ADC) på samme chip som lydforstærkeren. Et almindeligt format, der anvendes til digital kodning i MEMS-mikrofoner, er pulse density modulation (PDM), som gør det muligt at kommunikere med kun et ur og en enkelt datalinje. Afkodning af det digitale signal i modtageren er forenklet på grund af enkeltbitkodningen af dataene.
Venstre: analog MEMS-mikrofon-applikationsskema Højre: digital MEMS-mikrofon-applikationsskema
Electret-kondensatormikrofonens grundprincipper
Electret-kondensatormikrofoner (ECM) er opbygget som vist i figuren nedenfor.
Typisk opbygning af elektretkondensatormikrofoner
En elektretmembran (materiale med en fast overfladeladning) er anbragt tæt på en ledende plade, og i lighed med MEMS-mikrofoner dannes en kondensator med luftspalten som dielektrikum. Spændingen over kondensatoren varierer i takt med, at kapacitansværdien ændres som følge af lydtryksbølger, der bevæger elektretmembranen, ΔV = Q/ ΔC. Kondensatorspændingsvariationerne forstærkes og bufferes af en JFET internt i mikrofonhuset. JFET’en er typisk konfigureret i en common source-konfiguration, mens en ekstern belastningsmodstand og en DC-blokeringskondensator anvendes i det eksterne applikationskredsløb.
ECM-applikationsskema
forskelle i mikrofonteknologier
Der er mange overvejelser, når der skal vælges mellem en ECM- og MEMS-mikrofon. Markedsandelen for MEMS-mikrofoner fortsætter med at vokse i et hurtigt tempo på grund af de mange fordele, som denne nyere teknologi giver. F.eks. vil applikationer med begrænset plads finde de små pakningsstørrelser, der er tilgængelige for MEMS-mikrofoner, attraktive, mens der kan opnås en reduktion i både PCB-areal og komponentomkostninger takket være de analoge og digitale kredsløb, der indgår i MEMS-mikrofonkonstruktionen. Den relativt lave udgangsimpedans i analoge MEMS-mikrofoner og udgangene fra digitale MEMS-mikrofoner er ideelle til applikationer i elektrisk støjende miljøer. I miljøer med høje vibrationer kan brugen af MEMS-mikrofonteknologi reducere niveauet af uønsket støj, der indføres af de mekaniske vibrationer. Desuden gør halvlederfremstillingsteknologi og inddragelse af audio-forforforstærkere det muligt at fremstille MEMS-mikrofoner med nøje tilpassede og temperaturstabile ydeevneegenskaber. Disse stramme præstationsegenskaber er særlig fordelagtige, når MEMS-mikrofoner anvendes i array-applikationer. Under produktfremstillingen kan MEMS-mikrofoner også let håndteres af pick and place-maskiner og tåler reflow-lodningstemperaturprofiler.
Selv om MEMS-mikrofoner er i hastig vækst i popularitet, er der stadig anvendelser, hvor en electret-kondensatormikrofon kan være at foretrække. Mange ældre konstruktioner har anvendt ECM’er, og hvis projektet er en simpel opgradering af en eksisterende konstruktion, kan det derfor være bedst at fortsætte med at anvende en ECM. Mulighederne for at tilslutte en ECM til applikationskredsløbet omfatter stifter, ledninger, SMT, loddeplader og fjederkontakter, hvilket giver ingeniørerne yderligere fleksibilitet i designet. Hvis beskyttelse mod støv og fugt er et problem, er det let at finde ECM-tilbud med høj IP (Ingress Protection)-klassificering på grund af deres større fysiske størrelse. Til projekter, der kræver uensartet rumlig følsomhed, fås ECM-produkter med indbygget retningsbestemthed, enten ensrettet eller støjreducerende, mens ECM’ernes brede driftsspændingsområde kan være den foretrukne løsning i produkter med løst regulerede spændingsskinner.
Valg af den passende mikrofonteknologi til dit projekt
Den beslutning om at bruge electret kondensator- kontra MEMS-mikrofoner vil afhænge af kravene til dit projekt. Mens MEMS-mikrofoner fortsat vokser i popularitet på grund af deres mange iboende fordele, anvendes ECM’er stadig i en lang række applikationer takket være et bredere udvalg af indpakningsmuligheder og retningsbestemte muligheder. Uanset hvilken teknologi der vælges, vil CUI Devices fortsat udvikle og tilbyde et bredt udvalg af mikrofonprodukter, så dit projekt kan “høre” de ønskede lyde.