Kanske minns du marknadsföringskampanjen från några år sedan med frasen ”Kan du höra mig nu?”. Fler och fler enheter som utformas idag, från wearables till hemassistenter, uppmanas att ”höra” sin omgivning. Rätt mikrofon gör det möjligt för tillämpningar att exakt fånga upp nästan vilket ljud som helst, och de två vanligaste teknikerna som används för att konstruera mikrofoner är MEMS och elektretkondensator. Även om de två teknikerna fungerar enligt liknande principer finns det många användningsområden där man kan välja den ena framför den andra. Med detta i åtanke kommer vi att gå igenom grunderna för MEMS- och elektretkondensatormikrofoner, jämföra skillnaderna mellan teknikerna och beskriva fördelarna med varje lösning.
MEMS-mikrofonens grunder
MEMS-mikrofoner konstrueras med en MEMS-komponent (Micro-Electro-Mechanical System) placerad på ett tryckt kretskort (PCB) och skyddad med ett mekaniskt hölje. Ett litet hål tillverkas i höljet för att låta ljudet komma in i mikrofonen och betecknas antingen som top-ported om hålet är i det övre locket eller bottom-ported om hålet är i kretskortet. MEMS-komponenten är ofta konstruerad med ett mekaniskt membran och en monteringsstruktur som skapats på en halvledarform.
Typisk MEMS-mikrofonkonstruktion
MEMS-membranet bildar en kondensator och ljudtrycksvågorna orsakar en rörelse av membranet. MEMS-mikrofoner innehåller vanligtvis en andra halvledarmatris som fungerar som en ljudförstärkare och omvandlar MEMS-materialets förändrade kapacitans till en elektrisk signal. Utgången från ljudförförstärkaren tillhandahålls till användaren om en analog utgångssignal önskas. Om en digital utgångssignal önskas ingår en analog-till-digitalomvandlare (ADC) i samma chip som ljudförstärkaren. Ett vanligt format som används för digital kodning i MEMS-mikrofoner är pulsdensitetsmodulering (PDM), som gör det möjligt att kommunicera med endast en klocka och en enda datalinje. Avkodningen av den digitala signalen i mottagaren förenklas på grund av att data kodas med en enda bit.
Vänster: analog MEMS-mikrofons applikationsschema Höger: digital MEMS-mikrofons applikationsschema
Grunderna för elektretkondensatormikrofoner
Elektretkondensatormikrofoner (ECM) är uppbyggda som visas i figuren nedan.
Typisk konstruktion av elektretkondensatormikrofoner
Ett elektretmembran (material med fast ytladdning) är placerat nära en ledande platta, och i likhet med MEMS-mikrofoner bildas en kondensator med luftgapet som dielektrikum. Spänningen över kondensatorn varierar när värdet av kapacitansen ändras på grund av ljudtrycksvågor som förflyttar elektretmembranet, ΔV = Q/ ΔC. Kondensatorns spänningsvariationer förstärks och buffras av en JFET internt i mikrofonhuset. JFET:n är vanligtvis konfigurerad i en common-source-konfiguration, medan ett externt belastningsmotstånd och en DC-blockeringskondensator används i den externa applikationskretsen.
ECM-applikationsschema
Skillnader i mikrofonteknologier
Det finns många överväganden när man väljer mellan en ECM- och en MEMS-mikrofon. Marknadsandelen för MEMS-mikrofoner fortsätter att växa i snabb takt på grund av de många fördelar som denna nyare teknik erbjuder. Till exempel kommer tillämpningar med begränsat utrymme att finna de små paketstorlekar som finns tillgängliga för MEMS-mikrofoner attraktiva, samtidigt som en minskning av både PCB-yta och komponentkostnad kan realiseras tack vare de analoga och digitala kretsar som ingår i MEMS-mikrofonens konstruktion. Den relativt låga utgångsimpedansen hos analoga MEMS-mikrofoner och utgångarna från digitala MEMS-mikrofoner är idealiska för tillämpningar i elektriskt bullriga miljöer. I miljöer med höga vibrationer kan användningen av MEMS-mikrofonteknik minska nivån av oönskat buller som introduceras av den mekaniska vibrationen. Halvledartillverkningsteknik och integrering av ljudförstärkare gör det dessutom möjligt att tillverka MEMS-mikrofoner med nära anpassade och temperaturstabila prestandaegenskaper. Dessa nära prestanda är särskilt fördelaktiga när MEMS-mikrofoner används i matristillämpningar. Under produkttillverkningen kan MEMS-mikrofoner också lätt hanteras av pick and place-maskiner och tolerera temperaturprofiler för reflowlödning.
Trots att MEMS-mikrofoner växer snabbt i popularitet finns det fortfarande tillämpningar där en elektretkondensatormikrofon kan vara att föredra. Många äldre konstruktioner har använt ECM:er, och om projektet är en enkel uppgradering av en befintlig konstruktion kan det därför vara bäst att fortsätta att använda en ECM. Alternativen för att ansluta en ECM till applikationskretsen omfattar stift, kablar, SMT, lödplattor och fjäderkontakter, vilket ger ingenjörerna ytterligare konstruktionsflexibilitet. Om skydd mot damm och fukt är ett problem är det lätt att hitta ECM-modeller med hög IP-klassning (Ingress Protection) på grund av deras större fysiska storlek. För projekt som kräver ojämn rumslig känslighet finns ECM-produkter med inneboende riktningskänslighet, antingen enkelriktad eller brusreducerande, medan ECM:s breda driftsspänningsområde kan vara den föredragna lösningen i produkter med löst reglerade spänningsskenor.
Väljning av lämplig mikrofonteknik för ditt projekt
Beslutet om att använda elektretkondensator- respektive MEMS-mikrofoner kommer att vara beroende av kraven i ditt projekt. Medan MEMS-mikrofoner fortsätter att öka i popularitet på grund av deras många inneboende fördelar, används ECM:er fortfarande i en mängd olika tillämpningar tack vare ett bredare utbud av förpacknings- och riktningsalternativ. Oavsett vilken teknik som väljs kommer CUI Devices att fortsätta att utveckla och erbjuda ett brett utbud av mikrofonprodukter så att ditt projekt kan ”höra” de önskade ljuden.