Forse vi ricordate la campagna di marketing di qualche anno fa con la frase “Can you hear me now?”. Sempre più dispositivi progettati oggi, dagli indossabili agli assistenti domestici, sono chiamati a “sentire” il loro ambiente. Il microfono corretto rende possibile per le applicazioni di catturare accuratamente quasi tutti i suoni, con le due tecnologie più comuni utilizzate per la costruzione di microfoni che sono MEMS e condensatore a elettrete. Anche se le due tecnologie lavorano su principi simili, ci sono molti casi d’uso per scegliere una piuttosto che l’altra. Con questo in mente, rivedremo le basi dei microfoni a condensatore MEMS ed electret, confronteremo le differenze tra le tecnologie e delineeremo i vantaggi di ogni soluzione.
Fondamenti dei microfoni MEMS
I microfoni MEMS sono costruiti con un componente MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) posto su un circuito stampato (PCB) e protetto con una copertura meccanica. Un piccolo foro è fabbricato nella custodia per permettere al suono di entrare nel microfono ed è designato come top-ported se il foro è nel coperchio superiore o bottom-ported se il foro è nel PCB. Il componente MEMS è spesso progettato con un diaframma meccanico e una struttura di montaggio creata su una matrice di semiconduttore.
Costruzione tipica del microfono MEMS
Il diaframma MEMS forma un condensatore e le onde di pressione sonora causano il movimento del diaframma. I microfoni MEMS contengono tipicamente un secondo semiconduttore che funziona come un preamplificatore audio, convertendo la capacità mutevole del MEMS in un segnale elettrico. L’uscita del preamplificatore audio viene fornita all’utente se si desidera un segnale di uscita analogico. Se si desidera un segnale di uscita digitale, allora un convertitore analogico-digitale (ADC) è incluso sullo stesso die del preamplificatore audio. Un formato comune utilizzato per la codifica digitale nei microfoni MEMS è la modulazione a densità di impulsi (PDM), che permette la comunicazione con solo un clock e una singola linea di dati. La decodifica del segnale digitale al ricevitore è semplificata grazie alla codifica a bit singolo dei dati.
Sinistra: schema di applicazione del microfono analogico MEMS Destra: schema di applicazione del microfono digitale MEMS
Fondamenti del microfono a condensatore a elettrete
I microfoni a condensatore a elettrete (ECM) sono costruiti come mostrato nella figura seguente.
Costruzione tipica di un microfono a condensatore a elettrete
Un diaframma a elettrete (materiale con una carica superficiale fissa) è distanziato da una piastra conduttiva e, come nei microfoni MEMS, si forma un condensatore con il traferro come dielettrico. La tensione attraverso il condensatore varia come il valore della capacità cambia a causa delle onde di pressione sonora che muovono il diaframma dell’elettrete, ΔV = Q/ ΔC. Le variazioni di tensione del condensatore sono amplificate e tamponate da un JFET interno all’alloggiamento del microfono. Il JFET è tipicamente configurato in una configurazione common-source, mentre un resistore di carico esterno e un condensatore di blocco dc sono usati nel circuito di applicazione esterno.
Schema di applicazione ECM
Differenze nelle tecnologie microfoniche
Ci sono molte considerazioni quando si sceglie tra un microfono ECM e MEMS. La quota di mercato per i microfoni MEMS continua a crescere ad un ritmo rapido a causa di molti vantaggi forniti da questa nuova tecnologia. Per esempio, le applicazioni con limitazioni di spazio troveranno interessanti le piccole dimensioni del pacchetto disponibile per i microfoni MEMS, mentre una riduzione sia dell’area del PCB che del costo dei componenti può essere realizzata grazie ai circuiti analogici e digitali inclusi nella costruzione del microfono MEMS. L’impedenza di uscita relativamente bassa dei microfoni MEMS analogici e le uscite dei microfoni MEMS digitali sono ideali per applicazioni in ambienti elettricamente rumorosi. In ambienti ad alta vibrazione, l’uso della tecnologia dei microfoni MEMS può ridurre il livello di rumore indesiderato introdotto dalle vibrazioni meccaniche. Inoltre, la tecnologia di fabbricazione dei semiconduttori e l’inclusione di preamplificatori audio permette di produrre microfoni MEMS con caratteristiche di prestazione strettamente abbinate e stabili alla temperatura. Queste strette caratteristiche di prestazione sono particolarmente vantaggiose quando i microfoni MEMS sono utilizzati in applicazioni di array. Durante la fabbricazione del prodotto, i microfoni MEMS possono anche essere facilmente gestiti da macchine pick and place e tollerare profili di temperatura di saldatura a riflusso.
Anche se i microfoni MEMS stanno crescendo rapidamente in popolarità, ci sono ancora applicazioni in cui un microfono a condensatore electret può essere preferito. Molti progetti precedenti hanno usato ECM, e quindi, se il progetto è un semplice aggiornamento di un progetto esistente, potrebbe essere meglio continuare a usare un ECM. Le opzioni per collegare un ECM al circuito dell’applicazione includono pin, fili, SMT, piazzole di saldatura e contatti a molla, dando agli ingegneri ulteriore flessibilità di progettazione. Se la protezione dalla polvere e dall’umidità è un problema, è facile trovare offerte di ECM con alte valutazioni di Ingress Protection (IP) a causa delle loro maggiori dimensioni fisiche. Per i progetti che richiedono una sensibilità spaziale non uniforme, i prodotti ECM sono disponibili con direzionalità intrinseca, unidirezionale o di cancellazione del rumore, mentre l’ampia gamma di tensione operativa degli ECM può essere la soluzione preferita nei prodotti con binari di tensione poco regolati.
Selezionare la tecnologia microfonica appropriata per il tuo progetto
La decisione di utilizzare microfoni a condensatore electret rispetto ai MEMS dipende dai requisiti del tuo progetto. Mentre i microfoni MEMS continuano a crescere in popolarità grazie ai loro numerosi vantaggi intrinseci, gli ECM sono ancora utilizzati in una varietà di applicazioni grazie a una più ampia gamma di opzioni di imballaggio e direzionalità. Indipendentemente dalla tecnologia scelta, CUI Devices continuerà a sviluppare e offrire un’ampia gamma di prodotti microfonici per consentire al vostro progetto di ‘sentire’ i suoni richiesti.