Vielleicht erinnern Sie sich an die Marketingkampagne von vor einigen Jahren mit dem Satz „Können Sie mich jetzt hören?“ Immer mehr Geräte, die heute entwickelt werden, von Wearables bis hin zu Haushaltsassistenten, sollen ihre Umgebung „hören“. Mit dem richtigen Mikrofon können Anwendungen fast jeden Ton genau erfassen. Die beiden am häufigsten verwendeten Technologien für den Bau von Mikrofonen sind MEMS und Elektret-Kondensator. Obwohl die beiden Technologien nach ähnlichen Prinzipien arbeiten, gibt es viele Anwendungsfälle, in denen die eine der anderen vorzuziehen ist. Vor diesem Hintergrund werden wir die Grundlagen von MEMS- und Elektret-Kondensatormikrofonen erläutern, die Unterschiede zwischen den Technologien vergleichen und die Vorteile jeder Lösung darlegen.
Grundlagen von MEMS-Mikrofonen
MEMS-Mikrofone bestehen aus einem MEMS-Bauteil (Micro-Electro-Mechanical System), das auf einer Leiterplatte (PCB) platziert und mit einer mechanischen Abdeckung geschützt ist. In das Gehäuse wird ein kleines Loch eingearbeitet, durch das der Schall in das Mikrofon eindringen kann. Es wird entweder als „Top-Port“ bezeichnet, wenn sich das Loch in der oberen Abdeckung befindet, oder als „Bottom-Port“, wenn sich das Loch in der Leiterplatte befindet. Das MEMS-Bauteil ist häufig mit einer mechanischen Membran und einer auf einem Halbleiterchip aufgebauten Montagestruktur konstruiert.
Typischer Aufbau eines MEMS-Mikrofons
Die MEMS-Membran bildet einen Kondensator, und die Schalldruckwellen verursachen eine Bewegung der Membran. MEMS-Mikrofone enthalten in der Regel einen zweiten Halbleiterchip, der als Audio-Vorverstärker fungiert und die wechselnde Kapazität des MEMS in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Ausgang des Audio-Vorverstärkers wird dem Benutzer zur Verfügung gestellt, wenn ein analoges Ausgangssignal gewünscht wird. Wird ein digitales Ausgangssignal gewünscht, ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC) auf demselben Chip wie der Audiovorverstärker integriert. Ein gängiges Format für die digitale Kodierung in MEMS-Mikrofonen ist die Pulsdichtemodulation (PDM), die eine Kommunikation mit nur einem Takt und einer einzigen Datenleitung ermöglicht. Die Dekodierung des digitalen Signals am Empfänger wird durch die Ein-Bit-Kodierung der Daten vereinfacht.
Links: Anwendungsschema für analoge MEMS-Mikrofone Rechts: Anwendungsschema für digitale MEMS-Mikrofone
Grundlagen für Elektret-Kondensatormikrofone
Elektret-Kondensatormikrofone (ECM) sind wie in der Abbildung unten dargestellt aufgebaut.
Typischer Aufbau eines Elektretkondensatormikrofons
Eine Elektretmembran (Material mit fester Oberflächenladung) ist in der Nähe einer leitenden Platte angeordnet, und ähnlich wie bei MEMS-Mikrofonen wird ein Kondensator mit dem Luftspalt als Dielektrikum gebildet. Die Spannung am Kondensator ändert sich, wenn sich der Wert der Kapazität aufgrund von Schalldruckwellen ändert, die die Elektretmembran bewegen, ΔV = Q/ ΔC. Die Spannungsschwankungen des Kondensators werden durch einen JFET im Mikrofongehäuse verstärkt und gepuffert. Der JFET wird typischerweise in einer Common-Source-Konfiguration konfiguriert, während in der externen Anwendungsschaltung ein externer Lastwiderstand und ein Gleichstromsperrkondensator verwendet werden.
ECM-Anwendungsschema
Unterschiede bei Mikrofontechnologien
Bei der Auswahl zwischen einem ECM- und einem MEMS-Mikrofon gibt es viele Überlegungen. Der Marktanteil von MEMS-Mikrofonen wächst aufgrund der vielen Vorteile dieser neueren Technologie weiterhin rasant an. So sind beispielsweise die kleinen Gehäusegrößen von MEMS-Mikrofonen für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot attraktiv, während dank der in der MEMS-Mikrofonkonstruktion enthaltenen analogen und digitalen Schaltungen sowohl die Leiterplattenfläche als auch die Bauteilkosten reduziert werden können. Die relativ niedrige Ausgangsimpedanz von analogen MEMS-Mikrofonen und die Ausgänge von digitalen MEMS-Mikrofonen sind ideal für Anwendungen in elektrisch verrauschten Umgebungen. In Umgebungen mit starken Vibrationen kann der Einsatz von MEMS-Mikrofonen den Pegel unerwünschter Geräusche, die durch die mechanischen Vibrationen verursacht werden, reduzieren. Darüber hinaus ermöglichen die Halbleiterfertigungstechnologie und der Einbau von Audio-Vorverstärkern die Herstellung von MEMS-Mikrofonen mit eng abgestimmten und temperaturstabilen Leistungsmerkmalen. Diese engen Leistungsmerkmale sind besonders vorteilhaft, wenn MEMS-Mikrofone in Array-Anwendungen eingesetzt werden. Während der Produktherstellung können MEMS-Mikrofone auch problemlos von Bestückungsautomaten gehandhabt werden und vertragen Temperaturprofile beim Reflow-Löten.
Obwohl MEMS-Mikrofone immer beliebter werden, gibt es immer noch Anwendungen, bei denen ein Elektret-Kondensatormikrofon bevorzugt wird. Viele ältere Designs haben ECMs verwendet, und wenn es sich bei dem Projekt um eine einfache Aufrüstung eines bestehenden Designs handelt, kann es daher am besten sein, weiterhin ein ECM zu verwenden. Zu den Optionen für den Anschluss eines ECM an die Anwendungsschaltung gehören Stifte, Drähte, SMT, Lötpads und Federkontakte, was den Ingenieuren zusätzliche Flexibilität beim Design bietet. Wenn der Schutz vor Staub und Feuchtigkeit ein Thema ist, ist es einfach, ECM-Angebote mit hohen Schutzarten (IP) zu finden, da sie größer sind. Für Projekte, die eine ungleichmäßige räumliche Empfindlichkeit erfordern, sind ECM-Produkte mit intrinsischer Richtwirkung erhältlich, entweder unidirektional oder mit Rauschunterdrückung, während der breite Betriebsspannungsbereich von ECMs die bevorzugte Lösung für Produkte mit lose geregelten Spannungsschienen sein kann.
Auswahl der geeigneten Mikrofontechnologie für Ihr Projekt
Die Entscheidung für Elektretkondensator- oder MEMS-Mikrofone hängt von den Anforderungen Ihres Projekts ab. Während MEMS-Mikrofone aufgrund ihrer vielen Vorteile immer beliebter werden, werden ECMs dank einer breiteren Palette von Gehäuse- und Richtungsoptionen immer noch in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Unabhängig von der gewählten Technologie wird CUI Devices auch weiterhin eine breite Palette von Mikrofonprodukten entwickeln und anbieten, damit Ihr Projekt die erforderlichen Geräusche „hören“ kann.