Pewnie pamiętasz kampanię marketingową sprzed kilku lat z frazą „Czy teraz mnie słyszysz?”. Coraz więcej projektowanych dziś urządzeń, od wearables po asystentów domowych, jest proszonych o „usłyszenie” swojego otoczenia. Odpowiedni mikrofon umożliwia aplikacjom dokładne uchwycenie niemal każdego dźwięku, przy czym dwie najpopularniejsze technologie wykorzystywane do budowy mikrofonów to MEMS i elektretowe pojemnościowe. Chociaż te dwie technologie działają na podobnych zasadach, istnieje wiele przypadków użycia, w których warto wybrać jedną z nich. Mając to na uwadze, przejrzymy podstawy MEMS i elektretowego mikrofonu pojemnościowego, porównamy różnice między tymi technologiami i nakreślimy zalety każdego z rozwiązań.
Podstawy mikrofonów MEMS
Mikrofony MEMS są zbudowane z komponentu MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) umieszczonego na płytce drukowanej (PCB) i chronionego mechaniczną osłoną. Mały otwór jest wykonany w obudowie, aby umożliwić dźwięk do mikrofonu i jest albo oznaczony jako top-ported, jeśli otwór jest w górnej pokrywie lub bottom-ported, jeśli otwór jest w PCB. Komponent MEMS jest często zaprojektowany z mechaniczną membraną i strukturą montażową utworzoną na matrycy półprzewodnikowej.
Typowa konstrukcja mikrofonu MEMS
Membrana MEMS tworzy kondensator, a fale ciśnienia akustycznego powodują ruch membrany. Mikrofony MEMS zazwyczaj zawierają drugą matrycę półprzewodnikową, która działa jako przedwzmacniacz audio, przekształcając zmieniającą się pojemność membrany MEMS na sygnał elektryczny. Wyjście z przedwzmacniacza audio jest dostarczane użytkownikowi, jeśli wymagany jest analogowy sygnał wyjściowy. Jeśli pożądany jest cyfrowy sygnał wyjściowy, wówczas przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) jest umieszczony na tej samej matrycy co przedwzmacniacz audio. Powszechnym formatem używanym do kodowania cyfrowego w mikrofonach MEMS jest modulacja gęstości impulsów (PDM), która pozwala na komunikację tylko z zegarem i pojedynczą linią danych. Dekodowanie sygnału cyfrowego w odbiorniku jest uproszczone dzięki jednobitowemu kodowaniu danych.
Lewy: analogowy schemat aplikacyjny mikrofonu MEMS Prawy: cyfrowy schemat aplikacyjny mikrofonu MEMS
Podstawy mikrofonu elektretowo-kondensatorowego
Mikrofony elektretowo-kondensatorowe (ECM) są zbudowane w sposób przedstawiony na poniższym rysunku.
Typowa konstrukcja elektretowego mikrofonu pojemnościowego
Membrana elektretowa (materiał o stałym ładunku powierzchniowym) jest umieszczona blisko płytki przewodzącej i podobnie jak w przypadku mikrofonów MEMS, tworzony jest kondensator ze szczeliną powietrzną jako dielektrykiem. Napięcie na kondensatorze zmienia się wraz ze zmianą wartości pojemności spowodowaną falami ciśnienia akustycznego poruszającymi membranę elektretową, ΔV = Q/ ΔC. Zmiany napięcia kondensatora są wzmacniane i buforowane przez JFET znajdujący się wewnątrz obudowy mikrofonu. JFET jest zazwyczaj skonfigurowany w konfiguracji wspólnego źródła, podczas gdy zewnętrzny rezystor obciążenia i kondensator blokujący dc są używane w zewnętrznym obwodzie aplikacyjnym.
Schemat aplikacyjny ECM
Różnice w technologiach mikrofonowych
Przy wyborze pomiędzy mikrofonem ECM i MEMS należy wziąć pod uwagę wiele czynników. Udział mikrofonów MEMS w rynku nadal rośnie w szybkim tempie ze względu na wiele zalet tej nowszej technologii. Na przykład, aplikacje o ograniczonej przestrzeni są atrakcyjne dla małych rozmiarów obudów dostępnych dla mikrofonów MEMS, podczas gdy redukcja zarówno obszaru PCB jak i kosztów komponentów może być zrealizowana dzięki układom analogowym i cyfrowym zawartym w konstrukcji mikrofonu MEMS. Stosunkowo niska impedancja wyjściowa analogowych mikrofonów MEMS oraz wyjścia z cyfrowych mikrofonów MEMS są idealne do zastosowań w środowiskach o wysokim poziomie szumu elektrycznego. W środowiskach, w których występują duże wibracje, zastosowanie technologii mikrofonów MEMS może zmniejszyć poziom niepożądanych szumów wprowadzanych przez drgania mechaniczne. Ponadto, technologia produkcji półprzewodników i włączenie przedwzmacniaczy audio umożliwia wytwarzanie mikrofonów MEMS o ściśle dopasowanej i stabilnej temperaturowo charakterystyce działania. Taka ścisła charakterystyka działania jest szczególnie korzystna, gdy mikrofony MEMS są używane w aplikacjach macierzowych. Podczas wytwarzania produktu, mikrofony MEMS mogą być również łatwo obsługiwane przez maszyny typu „pick and place” i tolerować profile temperaturowe lutowania rozpływowego.
Mimo że mikrofony MEMS szybko zyskują na popularności, nadal istnieją zastosowania, w których preferowany może być elektretowy mikrofon pojemnościowy. Wiele starszych konstrukcji wykorzystuje ECM i dlatego, jeśli projekt jest prostym uaktualnieniem istniejącej konstrukcji, najlepszym rozwiązaniem może być dalsze stosowanie ECM. Opcje podłączenia ECM do obwodu aplikacji obejmują piny, przewody, SMT, pady lutownicze i styki sprężynowe, co daje inżynierom dodatkową elastyczność projektowania. Jeśli problemem jest ochrona przed pyłem i wilgocią, łatwo jest znaleźć ECM o wysokim stopniu ochrony IP (Ingress Protection) ze względu na ich większy rozmiar fizyczny. W przypadku projektów wymagających niejednolitej czułości przestrzennej, produkty ECM są dostępne z wewnętrzną kierunkowością, jednokierunkową lub z redukcją szumów, natomiast szeroki zakres napięcia roboczego ECM może być preferowanym rozwiązaniem w produktach z luźno regulowanymi szynami napięciowymi.
Wybór odpowiedniej technologii mikrofonowej dla Twojego projektu
Decyzja o użyciu elektretowych mikrofonów pojemnościowych w porównaniu z mikrofonami MEMS będzie zależała od wymagań Twojego projektu. Podczas gdy mikrofony MEMS nadal zyskują na popularności ze względu na wiele zalet, ECM są nadal używane w różnych zastosowaniach dzięki szerszemu zakresowi opcji pakowania i kierunkowości. Niezależnie od wybranej technologii, CUI Devices będzie nadal rozwijać i oferować szeroką gamę produktów mikrofonowych, aby umożliwić Twojemu projektowi „usłyszenie” wymaganych dźwięków.