Quizás recuerde la campaña de marketing de hace unos años con la frase: «¿Puedes oírme ahora?». Cada vez son más los dispositivos que se diseñan hoy en día, desde los wearables hasta los asistentes domésticos, a los que se les pide que «oigan» su entorno. El micrófono correcto hace posible que las aplicaciones capten con precisión casi cualquier sonido, y las dos tecnologías más utilizadas para construir micrófonos son la MEMS y la de condensador electret. Aunque las dos tecnologías funcionan con principios similares, hay muchos casos de uso para elegir una sobre la otra. Teniendo esto en cuenta, repasaremos los fundamentos de los micrófonos MEMS y de condensador electret, compararemos las diferencias entre las tecnologías y destacaremos las ventajas de cada solución.
Básicos de los micrófonos MEMS
Los micrófonos MEMS se construyen con un componente MEMS (sistema microelectromecánico) colocado en una placa de circuito impreso (PCB) y protegido con una cubierta mecánica. Se fabrica un pequeño orificio en la carcasa para que el sonido entre en el micrófono y se designa como orificio superior si el orificio está en la cubierta superior o inferior si el orificio está en la PCB. El componente MEMS suele estar diseñado con un diafragma mecánico y una estructura de montaje creada en una matriz semiconductora.
Construcción típica de un micrófono MEMS
El diafragma MEMS forma un condensador y las ondas de presión sonora provocan el movimiento del diafragma. Los micrófonos MEMS suelen contener una segunda matriz semiconductora que funciona como preamplificador de audio, convirtiendo la capacitancia cambiante del MEMS en una señal eléctrica. La salida del preamplificador de audio se proporciona al usuario si se desea una señal de salida analógica. Si se desea una señal de salida digital, se incluye un convertidor analógico-digital (ADC) en la misma matriz que el preamplificador de audio. Un formato común utilizado para la codificación digital en los micrófonos MEMS es la modulación por densidad de impulsos (PDM), que permite la comunicación con sólo un reloj y una única línea de datos. La decodificación de la señal digital en el receptor se simplifica debido a la codificación de un solo bit de los datos.
Izquierda: esquema de aplicación del micrófono MEMS analógico Derecha: esquema de aplicación del micrófono MEMS digital
Básicos del micrófono de condensador de electretos
Los micrófonos de condensador de electretos (ECM) se construyen como se muestra en la siguiente figura.
Construcción típica de un micrófono de condensador de electretos
Un diafragma de electretos (material con una carga superficial fija) está espaciado cerca de una placa conductora, y de forma similar a los micrófonos MEMS, se forma un condensador con el espacio de aire como dieléctrico. La tensión a través del condensador varía según el valor de la capacitancia debido a las ondas de presión sonora que mueven el diafragma de la electreta, ΔV = Q/ ΔC. Las variaciones de voltaje del condensador son amplificadas y amortiguadas por un JFET interno a la carcasa del micrófono. El JFET suele estar configurado como fuente común, mientras que en el circuito de aplicación externa se utiliza una resistencia de carga externa y un condensador de bloqueo de CC.
Esquema de aplicación ECM
Diferencias en las tecnologías de los micrófonos
Hay que tener en cuenta muchas consideraciones a la hora de elegir entre un micrófono ECM y uno MEMS. La cuota de mercado de los micrófonos MEMS sigue creciendo a gran velocidad debido a las numerosas ventajas que ofrece esta nueva tecnología. Por ejemplo, las aplicaciones con limitaciones de espacio encontrarán atractivos los pequeños tamaños de encapsulado disponibles para los micrófonos MEMS, mientras que se puede conseguir una reducción tanto del área de la placa de circuito impreso como del coste de los componentes gracias a los circuitos analógicos y digitales incluidos en la construcción del micrófono MEMS. La impedancia de salida relativamente baja de los micrófonos MEMS analógicos y las salidas de los micrófonos MEMS digitales son ideales para aplicaciones en entornos eléctricamente ruidosos. En entornos con muchas vibraciones, el uso de la tecnología de micrófonos MEMS puede reducir el nivel de ruido no deseado introducido por la vibración mecánica. Además, la tecnología de fabricación de semiconductores y la inclusión de preamplificadores de audio permiten fabricar micrófonos MEMS con características de rendimiento muy ajustadas y estables a la temperatura. Estas características de rendimiento tan ajustadas son especialmente beneficiosas cuando los micrófonos MEMS se utilizan en aplicaciones de conjuntos. Durante la fabricación del producto, los micrófonos MEMS también se pueden manipular fácilmente con máquinas pick and place y tolerar perfiles de temperatura de soldadura por reflujo.
Aunque la popularidad de los micrófonos MEMS está creciendo rápidamente, todavía hay aplicaciones en las que se prefiere un micrófono de condensador electret. Muchos diseños heredados han utilizado ECMs, y por lo tanto, si el proyecto es una simple actualización de un diseño existente, puede ser mejor seguir utilizando un ECM. Las opciones para conectar un ECM al circuito de la aplicación incluyen clavijas, cables, SMT, almohadillas de soldadura y contactos de muelle, lo que ofrece a los ingenieros una flexibilidad de diseño adicional. Si la protección contra el polvo y la humedad es un problema, es fácil encontrar ofertas de ECM con altos índices de protección contra el ingreso (IP) debido a su mayor tamaño físico. Para los proyectos que requieren una sensibilidad espacial no uniforme, los productos ECM están disponibles con direccionalidad intrínseca, ya sea unidireccional o con cancelación de ruido, mientras que el amplio rango de tensión de funcionamiento de los ECM puede ser la solución preferida en productos con carriles de tensión poco regulados.
Selección de la tecnología de micrófono adecuada para su proyecto
La decisión de utilizar micrófonos de condensador electret frente a micrófonos MEMS dependerá de los requisitos de su proyecto. Mientras que los micrófonos MEMS siguen creciendo en popularidad debido a sus muchas ventajas inherentes, los ECM se siguen utilizando en una variedad de aplicaciones gracias a una mayor gama de opciones de embalaje y direccionalidad. Independientemente de la tecnología elegida, CUI Devices seguirá desarrollando y ofreciendo una amplia gama de productos de microfonía para que su proyecto pueda «oír» los sonidos necesarios.