Misschien herinnert u zich de marketingcampagne van een paar jaar geleden met de zin: “Kun je me nu horen?” Steeds meer apparaten die tegenwoordig worden ontworpen, van wearables tot thuisassistenten, krijgen de vraag om hun omgeving te “horen”. De juiste microfoon maakt het mogelijk voor toepassingen om bijna elk geluid nauwkeurig op te vangen, waarbij de twee meest gebruikte technologieën voor het bouwen van microfoons MEMS en electret-condensator zijn. Hoewel de twee technologieën volgens vergelijkbare principes werken, zijn er veel gebruiksmogelijkheden om de ene boven de andere te verkiezen. Met dat in gedachten zullen we MEMS en electret condensatormicrofoon basisprincipes herzien, de verschillen tussen de technologieën vergelijken, en de voordelen van elke oplossing schetsen.
MEMS Microphone Basics
MEMS microfoons worden geconstrueerd met een MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) component geplaatst op een printplaat (PCB) en beschermd met een mechanische afdekking. Een klein gaatje wordt in de behuizing gefabriceerd om geluid in de microfoon toe te laten en wordt aangeduid als top-ported als het gaatje in de top cover zit of bottom-ported als het gaatje in de PCB zit. De MEMS-component is vaak ontworpen met een mechanisch diafragma en een montagestructuur die op een halfgeleiderdobbelsteen is gemaakt.
Typische MEMS-microfoonconstructie
Het MEMS-diafragma vormt een condensator en geluidsdrukgolven veroorzaken beweging van het diafragma. MEMS-microfoons bevatten meestal een tweede halfgeleider-die als audio-voorversterker fungeert, die de veranderende capaciteit van de MEMS in een elektrisch signaal omzet. De uitgang van de audio-voorversterker wordt aan de gebruiker verstrekt indien een analoog uitgangssignaal gewenst is. Indien een digitaal uitgangssignaal gewenst is, dan is een analoog-digitaal omzetter (ADC) opgenomen op dezelfde matrijs als de audio-voorversterker. Een veelgebruikt formaat voor de digitale codering in MEMS-microfoons is pulsdichtheidsmodulatie (PDM), die communicatie mogelijk maakt met slechts een klok en een enkele datalijn. De decodering van het digitale signaal bij de ontvanger wordt vereenvoudigd door de enkelvoudige bitcodering van de gegevens.
Links: analoog MEMS-microfoontoepassingsschema Rechts: digitaal MEMS-microfoontoepassingsschema
Electret Condensator Microfoon Basis
Electret Condensator Microfoons (ECM) zijn opgebouwd zoals in de onderstaande figuur is aangegeven.
Typische electretcondensatormicrofoonconstructie
Een electretmembraan (materiaal met een vaste oppervlaktelading) bevindt zich dicht bij een geleidende plaat, en net als bij MEMS-microfoons wordt een condensator gevormd met de luchtspleet als diëlektricum. De spanning over de condensator varieert naarmate de waarde van de capaciteit verandert als gevolg van geluidsdrukgolven die het elektretmembraan bewegen, ΔV = Q/ ΔC. De spanningsvariaties over de condensator worden versterkt en gebufferd door een JFET in de behuizing van de microfoon. De JFET wordt gewoonlijk geconfigureerd in een common-source configuratie, terwijl een externe belastingsweerstand en een gelijkstroomblokkeringscondensator worden gebruikt in het externe toepassingscircuit.
ECM-toepassingsschema
Verschillen in Microfoontechnologieën
Er zijn veel overwegingen bij de keuze tussen een ECM- en MEMS-microfoon. Het marktaandeel voor MEMS-microfoons blijft in een snel tempo groeien toe te schrijven aan vele voordelen die door deze nieuwere technologie worden verstrekt. Zo zullen bijvoorbeeld toepassingen met beperkte ruimte de kleine verpakkingen van MEMS-microfoons aantrekkelijk vinden, terwijl de analoge en digitale circuits in de MEMS-microfoonconstructie zowel het PCB-oppervlak als de componentkosten kunnen verlagen. De relatief lage uitgangsimpedantie van analoge MEMS-microfoons en de uitgangen van digitale MEMS-microfoons zijn ideaal voor toepassingen in elektrisch lawaaierige omgevingen. In omgevingen met veel trillingen kan het gebruik van MEMS-microfoontechnologie het niveau van ongewenste ruis verminderen die door de mechanische trillingen wordt geïntroduceerd. Voorts kunnen dankzij de technologie voor de fabricage van halfgeleiders en de toevoeging van audio-voorversterkers MEMS-microfoons worden vervaardigd met nauwkeurig op elkaar afgestemde en temperatuurstabiele prestatiekenmerken. Deze nauwe prestatiekenmerken zijn bijzonder gunstig wanneer MEMS-microfoons worden gebruikt in array-toepassingen. Tijdens de fabricage van producten kunnen MEMS microfoons ook gemakkelijk worden gehanteerd door pick and place machines en tolereren reflow soldeertemperatuurprofielen.
Hoewel MEMS microfoons snel in populariteit toenemen, zijn er nog steeds toepassingen waar een electret condensatormicrofoon de voorkeur kan hebben. Veel oudere ontwerpen hebben ECM’s gebruikt, en dus, als het project een eenvoudige upgrade van een bestaand ontwerp is, kan het het beste zijn om een ECM te blijven gebruiken. Voor de aansluiting van een ECM op het toepassingscircuit zijn pennen, draden, SMT, soldeerpads en veercontacten beschikbaar, waardoor ingenieurs over extra ontwerpvrijheid beschikken. Als bescherming tegen stof en vocht van belang is, zijn er gemakkelijk ECM’s te vinden met een hoge IP-waarde (Ingress Protection), dankzij hun grotere fysieke afmetingen. Voor projecten die niet-uniforme ruimtelijke gevoeligheid, ECM-producten zijn verkrijgbaar met intrinsieke directionaliteit, hetzij unidirectionele of ruisonderdrukking, terwijl het brede bereik van de bedrijfsspanning van ECM’s kan de voorkeur in producten met losjes gereguleerde spanningsrails.
Selecteren van de juiste microfoon technologie voor uw project
De beslissing om electret condensator versus MEMS microfoons te gebruiken zal afhankelijk zijn van de eisen van uw project. Terwijl MEMS-microfoons in populariteit blijven groeien vanwege hun vele inherente voordelen, worden ECM’s nog steeds gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen dankzij een breder scala aan verpakkings- en richtingsopties. Ongeacht de gekozen technologie zal CUI Devices doorgaan met het ontwikkelen en aanbieden van een breed scala aan microfoonproducten om uw project in staat te stellen de gewenste geluiden te ‘horen’.