Talán emlékszik a néhány évvel ezelőtti marketingkampányra a “Most már hallasz?” mondattal. Napjainkban egyre több olyan eszközt terveznek, a viselhető eszközöktől kezdve az otthoni asszisztensekig, amelyeknek a környezetük “hallására” van szükségük. A megfelelő mikrofon lehetővé teszi, hogy az alkalmazások szinte bármilyen hangot pontosan rögzítsenek, a mikrofonok építéséhez használt két leggyakoribb technológia a MEMS és az elektret kondenzátor. Bár a két technológia hasonló elven működik, számos olyan felhasználási eset van, amikor az egyiket választjuk a másik helyett. Ezt szem előtt tartva áttekintjük a MEMS és az elektret kondenzátoros mikrofonok alapjait, összehasonlítjuk a technológiák közötti különbségeket, és felvázoljuk az egyes megoldások előnyeit.
MEMS-mikrofonok alapjai
A MEMS-mikrofonok egy nyomtatott áramköri lapra (PCB) helyezett MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) komponenssel készülnek, amelyet egy mechanikus burkolat véd. A burkolaton egy kis lyukat készítenek, hogy a hangot beengedjék a mikrofonba, és vagy felülről nyílónak nevezik, ha a lyuk a felső burkolaton van, vagy alulról nyílónak, ha a lyuk a NYÁK-on van. A MEMS-alkatrészt gyakran félvezető lapkán létrehozott mechanikus membránnal és rögzítőszerkezettel tervezik.
Típusos MEMS-mikrofon felépítés
A MEMS-membrán egy kondenzátort alkot, és a hangnyomáshullámok a membrán mozgását okozzák. A MEMS-mikrofonok jellemzően tartalmaznak egy második félvezető lapkát, amely hang-előerősítőként működik, és a MEMS változó kapacitását elektromos jellé alakítja. A hang-előerősítő kimenete a felhasználó rendelkezésére áll, ha analóg kimeneti jelet szeretne. Ha digitális kimeneti jelre van szükség, akkor egy analóg-digitális átalakító (ADC) található ugyanazon a chipen, mint az audio-előerősítő. A MEMS-mikrofonokban a digitális kódoláshoz gyakran használt formátum az impulzussűrűség-moduláció (PDM), amely lehetővé teszi a kommunikációt csak egy órajel és egyetlen adatvonal segítségével. A digitális jel dekódolása a vevőnél egyszerűsödik az adatok egybites kódolása miatt.
Balra: analóg MEMS-mikrofon alkalmazási séma Jobbra: digitális MEMS-mikrofon alkalmazási séma
Elektréta kondenzátor mikrofon alapjai
Aelektréta kondenzátor mikrofonok (ECM) az alábbi ábrán látható módon épülnek fel.
Típusos elektret kondenzátor mikrofon felépítése
Az elektret membrán (rögzített felületi töltéssel rendelkező anyag) közel van egy vezető lemezhez, és a MEMS-mikrofonokhoz hasonlóan egy kondenzátort képez, amelynek dielektrikuma a légrés. A kondenzátoron mért feszültség az elektretmembránt mozgató hangnyomáshullámok hatására a kapacitás értékének változásával változik, ΔV = Q/ ΔC. A kondenzátor feszültségváltozásait a mikrofonházban található JFET erősíti és puffereli. A JFET jellemzően közös forrású konfigurációban van kialakítva, míg a külső alkalmazási áramkörben külső terhelési ellenállást és egyenáramú blokkoló kondenzátort használnak.
ECM alkalmazási vázlat
A mikrofontechnológiák közötti különbségek
Az ECM és a MEMS mikrofonok közötti választásnál számos szempontot kell figyelembe venni. A MEMS-mikrofonok piaci részesedése továbbra is gyors ütemben növekszik az újabb technológia által nyújtott számos előnynek köszönhetően. Például a helyszűkös alkalmazások számára vonzóak a MEMS-mikrofonok számára elérhető kis csomagméretek, míg a MEMS-mikrofonok konstrukciójában található analóg és digitális áramköröknek köszönhetően mind a NYÁK-terület, mind az alkatrészköltségek csökkenése megvalósítható. Az analóg MEMS-mikrofonok viszonylag alacsony kimeneti impedanciája és a digitális MEMS-mikrofonok kimenetei ideálisak az elektromosan zajos környezetben történő alkalmazásokhoz. Nagy vibrációs környezetben a MEMS-mikrofontechnológia alkalmazása csökkentheti a mechanikus rezgés által okozott nem kívánt zajszintet. Továbbá a félvezetőgyártási technológia és a hang-előerősítők beépítése lehetővé teszi a szorosan illeszkedő és hőmérséklet-stabil teljesítményjellemzőkkel rendelkező MEMS-mikrofonok gyártását. Ezek a szoros teljesítményjellemzők különösen előnyösek, ha a MEMS-mikrofonokat tömbös alkalmazásokban használják. A termékgyártás során a MEMS-mikrofonok könnyen kezelhetők a pick and place gépeken, és elviselik a reflow forrasztási hőmérsékleti profilokat.
Noha a MEMS-mikrofonok népszerűsége gyorsan növekszik, még mindig vannak olyan alkalmazások, ahol az elektret kondenzátoros mikrofonok előnyösebbek lehetnek. Számos régebbi konstrukcióban használtak ECM-et, és ezért, ha a projekt egy meglévő konstrukció egyszerű frissítése, akkor a legjobb lehet továbbra is ECM-et használni. Az ECM-nek az alkalmazási áramkörhöz való csatlakoztatásának lehetőségei közé tartoznak a csapok, vezetékek, SMT, forrasztópadok és rugós érintkezők, ami további tervezési rugalmasságot biztosít a mérnököknek. Ha a por és a nedvesség elleni védelem kérdéses, akkor a nagyobb fizikai méretük miatt könnyen találhatunk magas IP (Ingress Protection) védettségű ECM-kínálatot. A nem egyenletes térérzékenységet igénylő projektekhez az ECM-termékek belső irányíthatósággal, egyirányú vagy zajszűréssel is elérhetők, míg az ECM-ek széles működési feszültségtartománya előnyös megoldás lehet a lazán szabályozott feszültségsínekkel rendelkező termékekben.
A megfelelő mikrofontechnológia kiválasztása a projekthez
A projekt követelményeitől függ, hogy elektret kondenzátoros vagy MEMS-mikrofonokat használjon. Míg a MEMS-mikrofonok népszerűsége a bennük rejlő számos előnynek köszönhetően folyamatosan növekszik, az ECM-eket a csomagolási és irányíthatósági lehetőségek szélesebb választékának köszönhetően még mindig számos alkalmazásban használják. Függetlenül a választott technológiától, a CUI Devices továbbra is a mikrofontermékek széles választékát fejleszti és kínálja, hogy az Ön projektje “hallja” a kívánt hangokat.