Qu’est-ce qu’un microphone MEMS ? (Systèmes micro électromécaniques)
À mesure que les technologies progressent, elles deviennent souvent plus petites. C’est en partie le cas avec les microphones, et c’est certainement le cas avec l’invention du microphone MEMS.
Qu’est-ce qu’un microphone MEMS? Un microphone MEMS(systèmes microélectromécaniques) est un diaphragme sensible à la pression gravé sur une plaquette de silicium à l’aide d’un traitement MEMS. Les microphones MEMS sont principalement basés sur des capsules à électret et ont généralement des préamplificateurs intégrés et des convertisseurs analogique-numérique. Les microphones MEMS sont également connus sous le nom de puces de microphone ou de microphones en silicone.
Dans cet article, nous examinerons de plus près les microphones MEMS, couvrant leur construction, leurs applications et la technologie MEMS en général.
Qu’est-ce qu’un microphone MEMS?
Un microphone MEMS est un microphone produit à l’aide de techniques de traitement de systèmes microélectromécaniques. Les microphones MEMS sont également connus sous le nom de puces de microphone, microphones en silicone,
Ces microphones sont effectivement gravés sur une plaquette de silicium semi-conducteur. Une membrane mobile sensible à la pression(diaphragme) est gravée derrière une plaque perforée fixe. La plaque perforée fixe et le diaphragme agissent ensemble pour former un condensateur(un peu comme la conception d’un microphone à condensateur).
Les microphones MEMS, comme la plupart des technologies MEMS, sont fabriqués sur des lignes de production utilisant des tranches de silicium semi-conducteur et des processus hautement automatisés. Différentes couches de différents matériaux sont empilées sur la tranche de silicium puis le matériau inutile est gravé.
Lorsque la gravure est effectuée, l’élément transducteur du microphone MEMS a un diaphragme mobile ; une plaque fixe mais perforée, et le boîtier qui l’entoure.
Un ASIC(Application Specific Integrated Circuit) est conçu pour s’accoupler avec l’élément transducteur d’un microphone MEMS. Il utilise une pompe de charge pour placer une charge fixe entre la plaque fixe et la membrane du microphone. Les ASIC sont des micropuces spécialement conçues.
De cette manière, le transducteur MEMS de base ressemble étroitement à un microphone à condensateur à électret(ECM). Pour plus d’informations sur les microphones MEMS et les ECM, consultez la section Microphones MEMS et MEMS. Microphones à condensateur électret.
Ensemble, le composant transducteur et l’ASIC sont placés sur une carte de circuit imprimé(PCB) et protégés par un capot mécanique. Ce couvercle est conçu avec un petit trou pour permettre au son d’entrer dans l’élément du microphone. Le son doit passer à travers le boîtier de protection puis à travers la plaque perforée pour atteindre le diaphragme MEMS.
La plupart des microphones MEMS actuellement utilisés sur le marché contiennent un deuxième réseau de semi-conducteurs(circuit intégré) conçu pour fonctionner comme un préamplificateur audio.
Une conception de microphone MEMS numérique aura généralement une puce CMOS(métal-oxyde-semi-conducteur) supplémentaire qui agit comme un convertisseur analogique-numérique. Ces puces prennent efficacement les signaux audio analogiques amplifiés et les convertissent en données numériques. Ces ADC permettent aux microphones MEMS numériques d’être plus facilement intégrés aux produits numériques.
Le format le plus courant pour le codage numérique dans les microphones MEMS est la modulation de densité d’impulsions(PDM). PDM permet la communication avec une seule ligne de données et une horloge. Les récepteurs de signaux PDM, comme les microphones MEMS eux-mêmes, sont peu coûteux et facilement disponibles.
Comment fonctionnent les microphones MEMS?
Maintenant que nous connaissons les bases d’un microphone MEMS, il est temps de discuter de leur fonctionnement.
Avant de commencer, passons en revue les composants d’un microphone MEMS:
Pour couvrir toutes nos bases, prenons un microphone MEMS numérique hypothétique afin que nous puissions également discuter du convertisseur analogique-numérique.
- Élément transducteur MEMS: comprenant diaphragme/membrane ; plaque stationnaire perforée et boîtier.
- Carte de circuit imprimé(PCB): comprend l’unité de polarisation ASIC ; préamplificateur de microphone et convertisseur analogique-numérique.
- couverture mécanique.
Les ondes sonores pénètrent dans le microphone MEMS par son couvercle et traversent le boîtier et la plaque perforés avant d’atteindre le diaphragme/membrane.
Les ondes sonores provoquent une pression sonore variable sur le diaphragme et une différence de pression entre l’avant et l’arrière du diaphragme. Cette différence de pression fait bouger le diaphragme en congruence avec les ondes sonores.
Mais ce mouvement du diaphragme ne fait rien pour créer un signal de microphone à moins qu’il y ait une charge entre le diaphragme conducteur et la plaque fixe. La plaque et le diaphragme fonctionnent essentiellement comme un condensateur et nécessitent une charge pour fonctionner correctement. L’ASIC fournit cette charge.
Une fois chargées, la plaque et le diaphragme peuvent produire une tension. Puisqu’ils agissent comme un condensateur, tout changement de capacité entraînera un changement de tension inversement proportionnel. La capacité est fonction de la distance entre la plaque et le diaphragme, donc lorsque le diaphragme oscille d’avant en arrière, une tension alternative(signal micro) est produite.
Cette tension doit être amplifiée pour être utile en tant que signal audio, donc un circuit intégré séparé(matrice semi-conductrice), qui est inclus sur le PCB, amplifie le signal.
Dans un microphone MEMS analogique, le signal amplifié sera émis par le microphone MEMS et envoyé là où il doit aller.
Cependant, avec un microphone MEMS numérique, il existe un processus supplémentaire dans lequel un ADC convertit le signal analogique(généralement via PDM) avant de sortir le signal audio numérique.
Il y a quelques détails supplémentaires qui doivent être discutés pour mieux comprendre comment les microphones MEMS sont conçus pour fonctionner. Commençons par regarder un schéma en coupe simple d’un microphone MEMS:
Les lignes horizontales sont là pour représenter les couches de matière avec l’espace vide représentant la gravure.
Comme nous le voyons dans la coupe transversale ci-dessus, la plaque fixe est perforée, ce qui permet au son d’atteindre le diaphragme en dessous. Dans ce cas, la puce ASIC de polarisation est attachée à la carte, mais ce n’est pas toujours le cas.
La chambre arrière dans cet exemple est fermée, ce qui signifierait que le microphone MEMS est un microphone à pression(le diaphragme n’est ouvert aux ondes sonores que d’un côté), et donc cet exemple de microphone simplifié particulier aurait un motif omnidirectionnel.
La caméra arrière agit également comme un résonateur acoustique, aidant à régler correctement le microphone.
Le trou d’aération est inclus pour permettre à la caméra arrière d’être à la pression ambiante(quel que soit l’environnement).
Notez que des perforations derrière le diaphragme(ou dans le couvercle de protection externe) pourraient être incluses dans la conception pour produire un diagramme polaire directionnel.
Qu’est-ce que la technologie des systèmes microélectromécaniques?
La technologie des systèmes microélectromécaniques consiste généralement en des éléments mécaniques et électromécaniques miniaturisés réalisés à l’aide de techniques de microfabrication.
La fabrication de la technologie MEMS implique le dépôt de couches de matériau ; modelage par photolithographie et gravure pour réaliser les cavités et les formes souhaitées. De cette manière, la technologie MEMS est très similaire à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs et est même considérée comme une évolution de la fabrication de semi-conducteurs.
La technologie MEMS est très petite. Les composants utilisés ont typiquement une épaisseur comprise entre 1 et 100 microns. La taille générale d’un seul dispositif MEMS varie entre 20 micromètres et un millimètre.
Les dispositifs MEMS consistent en une unité centrale de traitement de données(comme un circuit intégré à micropuce). Il existe généralement plusieurs autres composants dans le dispositif MEMS qui interagissent avec l’environnement(tels que le microcapteur ou, dans le cas d’un microphone MEMS, le diaphragme/membrane).
Pour plus d’informations sur la technologie MEMS(et de la part de quelqu’un qui la comprend bien mieux que moi), consultez le lien suivant ici.
A quoi servent les microphones MEMS?
Les microphones MEMS sont principalement utilisés dans les produits de consommation qui nécessitent un certain type de microphone. Leur petite taille et leurs ADC simples en font un ajout facile(et peu coûteux) aux appareils qui nécessitent un microphone mais pas un microphone très précis.
Les microphones MEMS sont souvent impliqués dans la conception de:
- appareils intelligents pour la maison
- Téléphones portables
- Ordinateurs de bureau et ordinateurs portables
- comprimés
- Écouteurs
Microphones MEMS vs. microphones à condensateur électret
La conception du microphone MEMS est largement basée sur la conception de la capsule du microphone à condensateur électret.
Les deux types de microphone incluent les détails de conception suivants:
- Fonctionne sur des principes électrostatiques.
- Capsules de base de condenseur avec une plaque mobile(diaphragme) et une plaque fixe.
- Une méthode pour charger en permanence la capsule(matériau ASIC ou électret).
Les deux types de microphones sont également très courants et sont généralement utilisés dans l’électronique grand public et professionnelle nécessitant des microphones.
Voyons maintenant les différences entre ces deux microphones couramment utilisés. En particulier, nous discuterons des avantages que chaque type de microphone a par rapport à l’autre.
En commençant par le microphone MEMS typique:
- Taille plus petite.
- PCB analogique et ADC intégrés dans le package.
- Faible impédance(bien mieux pour les environnements bruyants).
- Plus résistant aux vibrations mécaniques.
- La technologie des microphones MEMS se développe rapidement.
Et maintenant pour les microphones à condensateur à électret:
- De nombreuses conceptions héritées ont des capsules de microphone à électret.
- Les connexions ECM comprennent des broches, des fils, des SMT, des plots de soudure et des contacts à ressort, ce qui les rend beaucoup plus flexibles à concevoir dans diverses applications.
- Meilleure protection contre la poussière et l’humidité, en partie grâce à sa plus grande taille physique.
- Les produits ECM sont disponibles avec une directivité intrinsèque: omnidirectionnelle, bidirectionnelle, unidirectionnelle ou même antibruit.
- Plage de tension de fonctionnement plus large, leur permettant de fonctionner sur des rails de tension faiblement régulés.
- La technologie Electret s’étend aux microphones de film, de mesure et de studio de qualité professionnelle.
des questions connexes
Les microphones sont-ils analogiques ou numériques? Les microphones, de par leur conception, sont des transducteurs analogiques qui convertissent les ondes sonores(énergie mécanique des ondes) en signaux audio(énergie électrique). La plupart du temps, les microphones émettent une tension alternative(signaux audio analogiques). Cependant, il existe sur le marché des microphones numériques avec des convertisseurs analogique-numérique intégrés qui produisent de l’audio numérique.
Quelle est la sensibilité d’un microphone? La sensibilité du microphone peut être considérée de trois manières:
- Niveau de sensibilité – Le niveau de sortie du microphone à un niveau de pression acoustique donné.
- Niveau de sensibilité du microphone du système d’exploitation Windows – Le volume/gain du microphone entré dans le système d’exploitation Windows.
- Sensibilité du microphone – la façon dont un microphone réagit aux petites nuances du niveau de pression acoustique. La réponse transitoire a beaucoup à voir avec cette «sensibilité».
