Peut-être vous souvenez-vous de la campagne marketing d’il y a quelques années avec la phrase « Can you hear me now ? ». De plus en plus d’appareils conçus aujourd’hui, des wearables aux assistants domestiques, sont invités à « entendre » leur environnement. Le bon microphone permet aux applications de capturer avec précision presque tous les sons. Les deux technologies les plus couramment utilisées pour construire des microphones sont les MEMS et les condensateurs à électret. Bien que ces deux technologies fonctionnent sur des principes similaires, de nombreux cas d’utilisation justifient le choix de l’une plutôt que de l’autre. Dans cette optique, nous allons passer en revue les bases des microphones MEMS et à condensateur à électret, comparer les différences entre les technologies et souligner les avantages de chaque solution.
Bases des microphones MEMS
Les microphones MEMS sont construits avec un composant MEMS (système micro-électro-mécanique) placé sur une carte de circuit imprimé (PCB) et protégé par un couvercle mécanique. Un petit trou est fabriqué dans le boîtier pour permettre au son de pénétrer dans le microphone. Il est désigné comme étant à port supérieur si le trou se trouve dans le couvercle supérieur ou à port inférieur si le trou se trouve dans la carte de circuit imprimé. Le composant MEMS est souvent conçu avec un diaphragme mécanique et une structure de montage créée sur une puce semi-conductrice.
Construction typique d’un microphone MEMS
Le diaphragme MEMS forme un condensateur et les ondes de pression sonore provoquent le mouvement du diaphragme. Les microphones MEMS contiennent généralement une deuxième puce semi-conductrice qui fonctionne comme un préamplificateur audio, convertissant la capacité changeante du MEMS en un signal électrique. La sortie du préamplificateur audio est fournie à l’utilisateur si un signal de sortie analogique est souhaité. Si l’on souhaite un signal de sortie numérique, un convertisseur analogique-numérique (CAN) est inclus sur la même puce que le préamplificateur audio. Un format commun utilisé pour le codage numérique dans les microphones MEMS est la modulation par densité d’impulsions (PDM), qui permet de communiquer avec seulement une horloge et une seule ligne de données. Le décodage du signal numérique au niveau du récepteur est simplifié en raison du codage à un seul bit des données.
Gauche : schéma d’application d’un microphone MEMS analogique Droite : schéma d’application d’un microphone MEMS numérique
Bases du microphone à condensateur à électret
Les microphones à condensateur à électret (ECM) sont construits comme indiqué sur la figure ci-dessous.
Construction typique d’un microphone à condensateur à électret
Un diaphragme à électret (matériau avec une charge de surface fixe) est espacé près d’une plaque conductrice, et comme pour les microphones MEMS, un condensateur est formé avec l’entrefer comme diélectrique. La tension aux bornes du condensateur varie en fonction de la valeur de la capacité due aux ondes de pression sonore qui déplacent le diaphragme de l’électret, ΔV = Q/ ΔC. Les variations de tension du condensateur sont amplifiées et tamponnées par un JFET interne au boîtier du microphone. Le JFET est généralement configuré dans une configuration à source commune, tandis qu’une résistance de charge externe et un condensateur de blocage c.c. sont utilisés dans le circuit d’application externe.
Schéma d’application ECM
Différences dans les technologies de microphones
Il existe de nombreuses considérations lors de la sélection entre un microphone ECM et MEMS. La part de marché des microphones MEMS continue de croître à un rythme rapide en raison des nombreux avantages offerts par cette technologie plus récente. Par exemple, les applications à espace restreint seront attirées par la petite taille des boîtiers disponibles pour les microphones MEMS, tandis qu’une réduction de la surface du circuit imprimé et du coût des composants peut être réalisée grâce aux circuits analogiques et numériques inclus dans la construction du microphone MEMS. L’impédance de sortie relativement faible des microphones MEMS analogiques et les sorties des microphones MEMS numériques sont idéales pour les applications dans des environnements électriquement bruyants. Dans les environnements à fortes vibrations, l’utilisation de la technologie des microphones MEMS peut réduire le niveau de bruit indésirable introduit par les vibrations mécaniques. En outre, la technologie de fabrication des semi-conducteurs et l’inclusion de préamplificateurs audio permettent de fabriquer des microphones MEMS dont les caractéristiques de performance sont étroitement adaptées et stables en température. Ces caractéristiques de performance serrées sont particulièrement bénéfiques lorsque les microphones MEMS sont utilisés dans des applications de réseau. Au cours de la fabrication du produit, les microphones MEMS peuvent également être facilement manipulés par les machines pick and place et tolérer les profils de température de soudure par refusion.
Bien que les microphones MEMS gagnent rapidement en popularité, il existe encore des applications où un microphone à condensateur à électret peut être préféré. De nombreuses conceptions héritées ont utilisé des ECM, et donc, si le projet est une simple mise à niveau d’une conception existante, il peut être préférable de continuer à utiliser un ECM. Les options de connexion d’un ECM au circuit de l’application comprennent les broches, les fils, les CMS, les pastilles à souder et les contacts à ressort, ce qui donne aux ingénieurs une plus grande souplesse de conception. Si la protection contre la poussière et l’humidité est un problème, il est facile de trouver des MCE avec des indices de protection élevés (IP) en raison de leur taille physique plus importante. Pour les projets nécessitant une sensibilité spatiale non uniforme, les produits ECM sont disponibles avec une directionnalité intrinsèque, soit unidirectionnelle, soit annulant le bruit, tandis que la large plage de tension de fonctionnement des ECM peut être la solution préférée dans les produits avec des rails de tension faiblement régulés.
Sélectionner la technologie de microphone appropriée pour votre projet
La décision d’utiliser des microphones à condensateur à électret par rapport aux microphones MEMS dépendra des exigences de votre projet. Alors que les microphones MEMS continuent de gagner en popularité en raison de leurs nombreux avantages inhérents, les ECM sont toujours utilisés dans une variété d’applications grâce à un plus large éventail d’options de conditionnement et de directionnalité. Quelle que soit la technologie choisie, CUI Devices continuera à développer et à proposer une large gamme de produits microphoniques pour permettre à votre projet d' »entendre » les sons requis.