Was ist ein MEMS-Mikrofon? (Mikroelektromechanische Systeme)
Mit fortschreitender Technologie werden sie oft kleiner. Dies ist teilweise bei Mikrofonen der Fall, und es ist sicherlich bei der Erfindung des MEMS-Mikrofons der Fall.
Was ist ein MEMS-Mikrofon? Ein MEMS-Mikrofon(mikroelektromechanische Systeme) ist eine druckempfindliche Membran, die mittels MEMS-Verarbeitung auf einen Siliziumwafer geätzt wird. MEMS-Mikrofone basieren hauptsächlich auf Elektretkapseln und haben typischerweise integrierte Vorverstärker und Analog-Digital-Wandler. MEMS-Mikrofone werden auch als Mikrofonchips oder Siliziummikrofone bezeichnet.
In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf MEMS-Mikrofone und behandeln ihre Konstruktion, Anwendungen und MEMS-Technologie im Allgemeinen.
Was ist ein MEMS-Mikrofon?
Ein MEMS-Mikrofon ist ein Mikrofon, das unter Verwendung von Verarbeitungstechniken für mikroelektromechanische Systeme hergestellt wird. MEMS-Mikrofone sind auch allgemein bekannt als Mikrofonchips, Siliziummikrofone,
Diese Mikrofone werden effektiv auf einen Halbleiter-Siliziumwafer geätzt. Hinter einer feststehenden Lochplatte ist eine bewegliche druckempfindliche Membran(Diaphragma) geätzt. Die stationäre perforierte Platte und die Membran bilden zusammen einen Kondensator(ähnlich dem Design eines Kondensatormikrofons).
MEMS-Mikrofone werden, wie die meisten MEMS-Technologien, auf Produktionslinien unter Verwendung von Halbleitersiliziumwafern und hochautomatisierten Prozessen hergestellt. Auf dem Siliziumwafer werden verschiedene Schichten aus unterschiedlichen Materialien gestapelt, und dann wird das unnötige Material geätzt.
Wenn das Ätzen durchgeführt wird, hat das Wandlerelement des MEMS-Mikrofons eine sich bewegende Membran; eine stationäre, aber perforierte Platte und das Gehäuse darum herum.
Ein ASIC(Application Specific Integrated Circuit) ist so konzipiert, dass er mit dem Wandlerelement eines MEMS-Mikrofons zusammenpasst. Es verwendet eine Ladungspumpe, um eine feste Ladung zwischen der stationären Platte und der Mikrofonmembran zu platzieren. ASICs sind speziell entwickelte Mikrochips.
Auf diese Weise ähnelt der grundlegende MEMS-Wandler stark einem Elektret-Kondensatormikrofon(ECM). Weitere Informationen zu MEMS-Mikrofonen und ECMs finden Sie im Abschnitt MEMS vs. MEMS-Mikrofone. Elektret-Kondensatormikrofone.
Zusammen werden die Wandlerkomponente und ASIC auf einer gedruckten Schaltungsplatine(PCB) platziert und durch eine mechanische Abdeckung geschützt. Diese Abdeckung ist mit einem kleinen Loch ausgestattet, damit Schall in das Mikrofonelement eindringen kann. Der Schall muss durch die Schutzbox und dann durch die Lochplatte zur MEMS-Membran gelangen.
Die meisten MEMS-Mikrofone, die heute auf dem Markt verwendet werden, enthalten ein zweites Halbleiter-Array(integrierte Schaltung), das als Audio-Vorverstärker fungiert.
Ein digitales MEMS-Mikrofondesign verfügt typischerweise über einen zusätzlichen Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Chip, der als Analog-Digital-Wandler fungiert. Diese Chips nehmen effektiv verstärkte analoge Audiosignale und wandeln sie in digitale Daten um. Diese ADCs ermöglichen eine einfachere Integration digitaler MEMS-Mikrofone in digitale Produkte.
Das gebräuchlichste Format für die digitale Codierung in MEMS-Mikrofonen ist die Pulsdichtemodulation(PDM). PDM ermöglicht die Kommunikation mit einer einzigen Datenleitung und einer Uhr. PDM-Signalempfänger sind wie MEMS-Mikrofone selbst kostengünstig und leicht verfügbar.
Wie funktionieren MEMS-Mikrofone?
Nachdem wir nun die Grundlagen eines MEMS-Mikrofons kennen, ist es an der Zeit, seine Funktionsweise zu erörtern.
Bevor wir beginnen, lassen Sie uns die Komponenten eines MEMS-Mikrofons überprüfen:
Um alle unsere Grundlagen abzudecken, nehmen wir ein hypothetisches digitales MEMS-Mikrofon, damit wir auch den Analog-Digital-Wandler besprechen können.
- MEMS-Wandlerelement: einschließlich Diaphragma/Membran; perforierte stationäre Platte und Gehäuse.
- Leiterplatte(PCB): enthält die ASIC-Vorspannungseinheit; Mikrofonvorverstärker und Analog-Digital-Wandler.
- mechanische Abdeckung.
Schallwellen treten durch seine Abdeckung in das MEMS-Mikrofon ein und passieren das perforierte Gehäuse und die Platte, bevor sie die Membran/Membran erreichen.
Die Schallwellen verursachen einen variablen Schalldruck auf der Membran und einen Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite der Membran. Dieser Druckunterschied bewirkt, dass sich die Membran deckungsgleich mit den Schallwellen bewegt.
Aber diese Bewegung der Membran trägt nicht dazu bei, ein Mikrofonsignal zu erzeugen, es sei denn, es gibt eine Ladung zwischen der leitenden Membran und der stationären Platte. Die Platte und das Diaphragma funktionieren im Wesentlichen als Kondensator und benötigen eine Ladung, um richtig zu funktionieren. Die ASIC stellt diese Ladung bereit.
Nach dem Aufladen können die Platte und die Membran Spannung erzeugen. Da sie wie ein Kondensator wirken, führt jede Kapazitätsänderung zu einer umgekehrt proportionalen Spannungsänderung. Die Kapazität ist eine Funktion des Abstands zwischen der Platte und der Membran. Wenn die Membran also hin und her schwingt, wird eine Wechselspannung(Mikrofonsignal) erzeugt.
Diese Spannung muss verstärkt werden, um als Audiosignal nutzbar zu sein, daher verstärkt eine separate integrierte Schaltung(Halbleitermatrix), die auf der Leiterplatte enthalten ist, das Signal.
In einem analogen MEMS-Mikrofon wird das verstärkte Signal vom MEMS-Mikrofon ausgegeben und dorthin gesendet, wo es hingehört.
Bei einem digitalen MEMS-Mikrofon gibt es jedoch einen zusätzlichen Prozess, bei dem ein ADC das analoge Signal(normalerweise über PDM) konvertiert, bevor er das digitale Audiosignal ausgibt.
Es gibt ein paar zusätzliche Details, die besprochen werden müssen, um besser zu verstehen, wie MEMS-Mikrofone funktionieren sollen. Betrachten wir zunächst ein einfaches Querschnittsdiagramm eines MEMS-Mikrofons:
Die horizontalen Linien stellen die Materialschichten dar, wobei der leere Raum die Gravur darstellt.
Wie wir im obigen Querschnitt sehen, ist die stationäre Platte perforiert, wodurch der Schall die darunter liegende Membran erreichen kann. In diesem Fall ist der Bias-ASIC-Chip an der Platine angebracht, aber das ist nicht immer der Fall.
Die hintere Kammer in diesem Beispiel ist geschlossen, was bedeuten würde, dass das MEMS-Mikrofon ein Druckmikrofon ist(die Membran ist nur auf einer Seite für Schallwellen offen), und daher hätte dieses spezielle vereinfachte Mikrofonbeispiel ein omnidirektionales Muster.
Die hintere Kamera fungiert auch als akustischer Resonator und hilft dabei, das Mikrofon richtig abzustimmen.
Das Entlüftungsloch ist enthalten, damit die hintere Kamera Umgebungsdruck haben kann(unabhängig von der Umgebung).
Beachten Sie, dass Perforationen hinter der Membran(oder in der äußeren Schutzabdeckung) in das Design aufgenommen werden könnten, um ein gerichtetes Richtdiagramm zu erzeugen.
Was ist mikroelektromechanische Systemtechnik?
Die Technologie mikroelektromechanischer Systeme besteht im Allgemeinen aus miniaturisierten mechanischen und elektromechanischen Elementen, die unter Verwendung von Mikrofabrikationstechniken hergestellt werden.
Die Herstellung der MEMS-Technologie umfasst die Abscheidung von Materialschichten; Modellieren durch Photolithographie und Gravieren, um die erforderlichen Hohlräume und Formen herzustellen. Auf diese Weise ist die MEMS-Technologie der Herstellung von Halbleitergeräten sehr ähnlich und wird sogar als Weiterentwicklung der Halbleiterherstellung angesehen.
Die MEMS-Technologie ist sehr klein. Die verwendeten Komponenten sind typischerweise zwischen 1 und 100 Mikrometer dick. Die allgemeine Größe einer einzelnen MEMS-Vorrichtung variiert zwischen 20 Mikrometer und einem Millimeter.
MEMS-Geräte bestehen aus einer zentralen Datenverarbeitungseinheit(wie ein integrierter Mikrochip-Schaltkreis). Es gibt typischerweise auch mehrere andere Komponenten innerhalb der MEMS-Vorrichtung, die mit der Umgebung interagieren(wie etwa der Mikrosensor oder im Fall eines MEMS-Mikrofons die Membran/Membran).
Weitere Informationen zur MEMS-Technologie(und von jemandem, der sie viel besser versteht als ich) finden Sie unter folgendem Link hier.
Wofür werden MEMS-Mikrofone verwendet?
MEMS-Mikrofone werden hauptsächlich in Verbraucherprodukten verwendet, die eine Art Mikrofon erfordern. Ihre geringe Größe und einfache ADCs machen sie zu einer einfachen(und kostengünstigen) Ergänzung für Geräte, die ein Mikrofon, aber kein sehr präzises Mikrofon benötigen.
MEMS-Mikrofone sind häufig an der Konstruktion beteiligt von:
- Smart-Home-Geräte
- Handys
- Desktops und Laptops
- Tablets
- Kopfhörer
MEMS-Mikrofone vs. Elektret-Kondensatormikrofone
Das MEMS-Mikrofondesign basiert weitgehend auf dem Kapseldesign des Elektret-Kondensatormikrofons.
Beide Mikrofontypen weisen folgende Konstruktionsdetails auf:
- Arbeitet nach elektrostatischen Prinzipien.
- Kondensatorbodenkapseln mit einer beweglichen Platte(Membran) und einer festen Platte.
- Eine Methode, um die Kapsel dauerhaft aufzuladen(ASIC- oder Elektretmaterial).
Beide Arten von Mikrofonen sind ebenfalls weit verbreitet und werden typischerweise in der Unterhaltungs- und professionellen Elektronik verwendet, die Mikrofone benötigt.
Betrachten wir nun die Unterschiede zwischen diesen beiden häufig verwendeten Mikrofonen. Insbesondere werden wir die Vorteile besprechen, die jeder Mikrofontyp gegenüber dem anderen hat.
Beginnend mit dem typischen MEMS-Mikrofon:
- Kleinere Größe.
- Analoge PCB und ADC im Gehäuse eingebaut.
- Niedrige Impedanz(viel besser für laute Umgebungen).
- Widerstandsfähiger gegen mechanische Vibrationen.
- Die MEMS-Mikrofontechnologie entwickelt sich rasant.
Und jetzt für Elektret-Kondensatormikrofone:
- Viele ältere Designs haben Elektret-Mikrofonkapseln.
- ECM-Verbindungen umfassen Stifte, Drähte, SMTs, Lötpads und Federkontakte, wodurch sie viel flexibler für das Design in verschiedenen Anwendungen sind.
- Besserer Schutz vor Staub und Feuchtigkeit, teilweise aufgrund seiner größeren physischen Größe.
- ECM-Produkte sind mit intrinsischer Direktionalität erhältlich: omnidirektional, bidirektional, unidirektional oder sogar mit Rauschunterdrückung.
- Breiterer Betriebsspannungsbereich, der es ihnen ermöglicht, auf lose geregelten Spannungsschienen zu laufen.
- Die Elektret-Technologie erstreckt sich auf professionelle Film-, Mess- und Studiomikrofone.
Verwandte Fragen
Sind die Mikrofone analog oder digital? Mikrofone sind von Natur aus analoge Wandler, die Schallwellen(mechanische Wellenenergie) in Audiosignale(elektrische Energie) umwandeln. Meistens geben Mikrofone eine Wechselspannung(analoge Audiosignale) aus. Es gibt jedoch digitale Mikrofone auf dem Markt mit eingebauten Analog-Digital-Wandlern, die digitales Audio ausgeben.
Wie hoch ist die Empfindlichkeit eines Mikrofons? Die Mikrofonempfindlichkeit kann auf drei Arten berücksichtigt werden:
- Empfindlichkeitsbewertung – Der Ausgangspegel des Mikrofons bei einem bestimmten Schalldruckpegel.
- Mikrofonempfindlichkeit des Windows-Betriebssystems – Die im Windows-Betriebssystem eingegebene Mikrofonlautstärke /-verstärkung.
- Mikrofonempfindlichkeit – die Art und Weise, wie ein Mikrofon auf kleine Nuancen im Schalldruckpegel reagiert. Das Einschwingverhalten hat viel mit dieser «Empfindlichkeit» zu tun.
