Muistat ehkä muutaman vuoden takaisen markkinointikampanjan, jossa kuului lause ”Kuuletko minut nyt?”. Yhä useampia nykyään suunniteltavia laitteita, puettavista laitteista kodin avustajiin, pyydetään ”kuulemaan” ympäristöään. Oikeanlaisen mikrofonin avulla sovellukset voivat tallentaa tarkasti lähes minkä tahansa äänen, ja kaksi yleisintä mikrofonien rakentamiseen käytettyä tekniikkaa ovat MEMS ja elektreettilauhdutin. Vaikka nämä kaksi tekniikkaa toimivat samankaltaisilla periaatteilla, on monia käyttötapauksia, joissa toinen valitaan toisen sijaan. Tätä silmällä pitäen käymme läpi MEMS- ja elektreettikondensaattorimikrofonien perusteet, vertailemme tekniikoiden välisiä eroja ja hahmotamme kummankin ratkaisun edut.
MEMS-mikrofonien perusteet
MEMS-mikrofonit rakennetaan MEMS-komponentilla (Micro-Electro-Mechanical System), joka on sijoitettu painetulle piirilevylle (PCB) ja joka on suojattu mekaanisella suojuksella. Koteloon valmistetaan pieni reikä, jotta ääni pääsee mikrofoniin, ja sitä kutsutaan joko ylhäältä portatuksi, jos reikä on yläkannessa, tai alhaalta portatuksi, jos reikä on piirilevyssä. MEMS-komponentissa on usein mekaaninen kalvo ja kiinnitysrakenne, joka on luotu puolijohdekiekolle.
Tyypillinen MEMS-mikrofonin rakenne
MEMS-kalvo muodostaa kondensaattorin ja äänenpaineaallot aiheuttavat kalvon liikkeen. MEMS-mikrofonit sisältävät tyypillisesti toisen puolijohdekappaleen, joka toimii äänen esivahvistimena ja muuntaa MEMS:n muuttuvan kapasitanssin sähköiseksi signaaliksi. Äänen esivahvistimen ulostulo annetaan käyttäjälle, jos halutaan analoginen lähtösignaali. Jos halutaan digitaalinen lähtösignaali, analogi-digitaalimuunnin (ADC) on samassa piirilevyssä kuin äänen esivahvistin. Yleinen MEMS-mikrofonien digitaalisessa koodauksessa käytetty muoto on pulssitiheysmodulaatio (PDM), joka mahdollistaa tiedonsiirron vain kellon ja yhden datajohdon avulla. Digitaalisen signaalin dekoodaus vastaanottimessa yksinkertaistuu, koska data on koodattu yhdellä bitillä.
Vasemmalla: analogisen MEMS-mikrofonin sovelluskaavio Oikealla: digitaalisen MEMS-mikrofonin sovelluskaavio
Elektreettisen kondensaattorimikrofonin perusteet
Elektreettiset kondensaattorimikrofonit (Electret Condenser Microphones, ECM) rakentuvat alla olevan kuvan mukaisesti.
Tyypillinen elektreettikondensaattorimikrofonin rakenne
Elektreettimembraani (materiaali, jolla on kiinteä pintalataus) on sijoitettu lähelle johtavaa levyä, ja MEMS-mikrofonien tapaan muodostetaan kondensaattori, jonka dielektrisenä aineena on ilmarako. Jännite kondensaattorin yli vaihtelee kapasitanssin arvon muuttuessa elektreettikalvoa liikuttavien äänenpaineaaltojen vaikutuksesta, ΔV = Q/ ΔC. Kondensaattorin jännitteen vaihtelut vahvistetaan ja puskuroidaan mikrofonin kotelon sisäisellä JFET:llä. JFET on tyypillisesti konfiguroitu common-source-konfiguraatioon, kun taas ulkoisessa sovelluspiirissä käytetään ulkoista kuormitusvastusta ja dc-sulkukondensaattoria.
ECM-sovelluskaavio
Mikrofonitekniikoiden erot
Valittaessa ECM- ja MEMS-mikrofonin väliltä valitaan monia seikkoja. MEMS-mikrofonien markkinaosuus kasvaa edelleen nopeasti tämän uudemman teknologian tarjoamien monien etujen ansiosta. Esimerkiksi tilarajoitteiset sovellukset pitävät MEMS-mikrofonien pieniä pakettikokoja houkuttelevina, kun taas sekä piirilevypinta-alaa että komponenttikustannuksia voidaan pienentää MEMS-mikrofonin rakenteeseen sisältyvien analogisten ja digitaalisten piirien ansiosta. Analogisten MEMS-mikrofonien suhteellisen alhainen lähtöimpedanssi ja digitaalisten MEMS-mikrofonien ulostulot soveltuvat erinomaisesti sovelluksiin sähköisesti meluisissa ympäristöissä. Voimakkaasti tärisevissä ympäristöissä MEMS-mikrofonitekniikan käyttö voi vähentää mekaanisen tärinän aiheuttamaa ei-toivottua melua. Lisäksi puolijohdetekniikka ja äänen esivahvistimien lisääminen mahdollistavat sellaisten MEMS-mikrofonien valmistuksen, joiden suorituskykyominaisuudet ovat tarkasti sovitetut ja lämpötilaltaan vakaat. Nämä tiukat suorituskykyominaisuudet ovat erityisen hyödyllisiä, kun MEMS-mikrofoneja käytetään array-sovelluksissa. Tuotteiden valmistuksen aikana MEMS-mikrofoneja voidaan myös helposti käsitellä poiminta- ja sijoituskoneilla ja ne sietävät reflow-juottolämpötilaprofiileja.
Vaikka MEMS-mikrofonien suosio kasvaa nopeasti, on edelleen sovelluksia, joissa elektreettikondensaattorimikrofoni voi olla parempi vaihtoehto. Monissa vanhoissa malleissa on käytetty ECM-mikrofoneja, ja jos projekti on yksinkertainen päivitys olemassa olevaan malliin, voi olla parasta jatkaa ECM-mikrofonin käyttöä. Vaihtoehtoja ECM:n liittämiseksi sovelluspiiriin ovat nastat, johdot, SMT, juotospinnat ja jousikontaktit, mikä antaa suunnittelijoille lisää joustavuutta suunnittelussa. Jos pölyltä ja kosteudelta suojautuminen on ongelma, on helppo löytää ECM-tuotteita, joilla on korkea Ingress Protection (IP) -luokitus niiden suuremman fyysisen koon vuoksi. Hankkeissa, joissa tarvitaan epätasaista alueellista herkkyyttä, ECM-tuotteita on saatavana luontaisella suuntaavuudella, joko yksisuuntaisina tai kohinaa vaimentavina, kun taas ECM-mikrofonien laaja käyttöjännitealue voi olla suositeltavin ratkaisu tuotteissa, joissa on löyhästi säädellyt jännitekiskot.
Suositun mikrofonitekniikan valinta hankkeeseen
Päätös elektreettikondensaattorimikrofonien ja MEMS-mikrofonien välisestä suhteesta riippuu hankkeesi vaatimuksista. Vaikka MEMS-mikrofonien suosio kasvaa edelleen niiden monien luontaisten etujen ansiosta, ECM-mikrofoneja käytetään edelleen monissa sovelluksissa laajemman pakkaus- ja suuntausvaihtoehtojen valikoiman ansiosta. Valitusta teknologiasta riippumatta CUI Devices kehittää ja tarjoaa jatkossakin laajan valikoiman mikrofonituotteita, joiden avulla projektisi ”kuulee” tarvittavat äänet.