Che cos’è un microfono MEMS? (Sistemi micro elettromeccanici)
Man mano che le tecnologie avanzano, spesso diventano più piccole. Questo è in parte il caso dei microfoni, ed è certamente il caso dell’invenzione del microfono MEMS.
Che cos’è un microfono MEMS? Un microfono MEMS(sistemi microelettromeccanici) è un diaframma sensibile alla pressione inciso su un wafer di silicio utilizzando l’elaborazione MEMS. I microfoni MEMS sono basati principalmente su capsule a elettrete e in genere hanno preamplificatori integrati e convertitori da analogico a digitale. I microfoni MEMS sono anche conosciuti come chip microfonici o microfoni al silicio.
In questo articolo, daremo uno sguardo più da vicino ai microfoni MEMS, coprendone la costruzione, le applicazioni e la tecnologia MEMS in generale.
Che cos’è un microfono MEMS?
Un microfono MEMS è un microfono prodotto utilizzando tecniche di elaborazione del sistema microelettromeccanico. I microfoni MEMS sono anche comunemente noti come chip microfonici, microfoni in silicio,
Questi microfoni sono effettivamente incisi su un wafer di silicio semiconduttore. Una membrana mobile sensibile alla pressione(diaframma) è incisa dietro una piastra perforata fissa. La piastra perforata fissa e il diaframma agiscono insieme per formare un condensatore(molto simile al design di un microfono a condensatore).
I microfoni MEMS, come la maggior parte delle tecnologie MEMS, sono prodotti su linee di produzione utilizzando wafer di silicio semiconduttore e processi altamente automatizzati. Diversi strati di materiali diversi vengono impilati sul wafer di silicio e quindi il materiale non necessario viene inciso.
Quando viene eseguita l’incisione, l’elemento trasduttore del microfono MEMS ha un diaframma mobile; una piastra fissa ma perforata e l’involucro attorno ad essa.
Un ASIC(Application Specific Integrated Circuit) è progettato per accoppiarsi con l’elemento trasduttore di un microfono MEMS. Utilizza una pompa di carica per posizionare una carica fissa tra la piastra fissa e la membrana del microfono. Gli ASIC sono microchip appositamente progettati.
In questo modo, il trasduttore MEMS di base assomiglia molto a un microfono a condensatore electret(ECM). Per ulteriori informazioni sui microfoni MEMS e sugli ECM, vai alla sezione MEMS vs. Microfoni MEMS. Microfoni a condensatore a elettrete.
Insieme, il componente del trasduttore e l’ASIC sono posizionati su una scheda a circuito stampato(PCB) e protetti da un coperchio meccanico. Questa copertura è progettata con un piccolo foro per consentire al suono di entrare nell’elemento microfono. Il suono deve passare attraverso la scatola protettiva e quindi attraverso la piastra perforata per raggiungere il diaframma MEMS.
La maggior parte dei microfoni MEMS in uso oggi sul mercato contiene un secondo array di semiconduttori(circuito integrato) progettato per funzionare come un preamplificatore audio.
Un microfono MEMS digitale avrà in genere un chip CMOS(metal-oxide-semiconductor) aggiuntivo che funge da convertitore da analogico a digitale. Questi chip prendono efficacemente segnali audio analogici amplificati e li convertono in dati digitali. Questi ADC consentono ai microfoni MEMS digitali di essere integrati più facilmente con i prodotti digitali.
Il formato più comune per la codifica digitale all’interno dei microfoni MEMS è la modulazione della densità degli impulsi(PDM). PDM consente la comunicazione con una singola linea dati e un orologio. I ricevitori di segnale PDM, come gli stessi microfoni MEMS, sono economici e facilmente reperibili.
Come funzionano i microfoni MEMS?
Quindi, ora che conosciamo le basi di un microfono MEMS, è tempo di discutere di come funzionano.
Prima di iniziare, esaminiamo i componenti di un microfono MEMS:
Per coprire tutte le nostre basi, prendiamo un ipotetico microfono MEMS digitale in modo da poter discutere anche del convertitore da analogico a digitale.
- Elemento trasduttore MEMS: incluso diaframma/membrana; piastra fissa perforata e involucro.
- Scheda a circuito stampato(PCB): include l’unità di polarizzazione ASIC; preamplificatore microfonico e convertitore da analogico a digitale.
- copertura meccanica.
Le onde sonore entrano nel microfono MEMS attraverso il suo coperchio e passano attraverso l’alloggiamento e la piastra perforati prima di raggiungere il diaframma/membrana.
Le onde sonore provocano una pressione sonora variabile sul diaframma e una differenza di pressione tra la parte anteriore e quella posteriore del diaframma. Questa differenza di pressione fa muovere il diaframma in congruenza con le onde sonore.
Ma questo movimento del diaframma non fa nulla per creare un segnale del microfono a meno che non vi sia una carica tra il diaframma conduttore e la piastra fissa. La piastra e il diaframma funzionano essenzialmente come un condensatore e richiedono una carica per funzionare correttamente. L’ASIC fornisce questa tassa.
Una volta caricati, la piastra e il diaframma possono produrre tensione. Poiché agiscono come un condensatore, qualsiasi variazione di capacità provocherà una variazione inversamente proporzionale della tensione. La capacità è una funzione della distanza tra la piastra e il diaframma, quindi quando il diaframma oscilla avanti e indietro, viene prodotta una tensione CA(segnale microfono).
Questa tensione necessita di amplificazione per essere utile come segnale audio, quindi un circuito integrato separato(matrice a semiconduttore), incluso nel PCB, amplifica il segnale.
In un microfono MEMS analogico, il segnale amplificato verrà emesso dal microfono MEMS e inviato dove deve andare.
Tuttavia, con un microfono MEMS digitale, esiste un processo aggiuntivo in cui un ADC converte il segnale analogico(di solito tramite PDM) prima di emettere il segnale audio digitale.
Ci sono alcuni dettagli aggiuntivi che devono essere discussi per capire meglio come funzionano i microfoni MEMS. Iniziamo osservando un semplice diagramma in sezione trasversale di un microfono MEMS:
Le linee orizzontali sono lì per rappresentare gli strati di materiale con lo spazio vuoto che rappresenta l’incisione.
Come vediamo nella sezione trasversale sopra, la piastra fissa è perforata che consente al suono di raggiungere il diaframma sottostante. In questo caso, il chip ASIC bias è attaccato alla scheda, ma non è sempre così.
La camera posteriore in questo esempio è chiusa, il che significherebbe che il microfono MEMS è un microfono a pressione(il diaframma è aperto alle onde sonore solo su un lato), e quindi questo particolare esempio di microfono semplificato avrebbe uno schema omnidirezionale.
La fotocamera posteriore funge anche da risonatore acustico, aiutando a sintonizzare correttamente il microfono.
Il foro di sfiato è incluso per consentire alla fotocamera posteriore di essere a pressione ambiente(qualunque sia l’ambiente).
Si noti che le perforazioni dietro il diaframma(o nella copertura protettiva esterna) potrebbero essere incluse nel progetto per produrre un diagramma polare direzionale.
Che cos’è la tecnologia dei sistemi microelettromeccanici?
La tecnologia dei sistemi microelettromeccanici è generalmente costituita da elementi meccanici ed elettromeccanici miniaturizzati realizzati con tecniche di microfabbricazione.
La fabbricazione della tecnologia MEMS prevede la deposizione di strati di materiale; modellazione mediante fotolitografia e incisione per produrre le cavità e le forme richieste. In questo modo, la tecnologia MEMS è molto simile alla fabbricazione di dispositivi a semiconduttore ed è persino considerata un’evoluzione della fabbricazione di semiconduttori.
La tecnologia MEMS è molto piccola. I componenti utilizzati hanno generalmente uno spessore compreso tra 1 e 100 micron. La dimensione generale di un singolo dispositivo MEMS varia tra 20 micrometri e un millimetro.
I dispositivi MEMS sono costituiti da un’unità centrale di elaborazione dati(come un circuito integrato a microchip). In genere ci sono anche molti altri componenti all’interno del dispositivo MEMS che interagiscono con l’ambiente(come il microsensore o, nel caso di un microfono MEMS, il diaframma/membrana).
Per ulteriori informazioni sulla tecnologia MEMS(e da qualcuno che la capisce molto meglio di me), controlla il seguente link qui.
A cosa servono i microfoni MEMS?
I microfoni MEMS sono utilizzati principalmente nei prodotti di consumo che richiedono un qualche tipo di microfono. Le loro dimensioni ridotte e i semplici ADC li rendono un’aggiunta facile(ed economica) ai dispositivi che richiedono un microfono ma non un microfono molto preciso.
I microfoni MEMS sono spesso coinvolti nella progettazione di:
- dispositivi domestici intelligenti
- Telefono cellulare
- Desktop e laptop
- compresse
- Auricolari
Microfoni MEMS vs. microfoni a condensatore electret
Il design del microfono MEMS è in gran parte basato sul design della capsula del microfono a condensatore electret.
Entrambi i tipi di microfono includono i seguenti dettagli di progettazione:
- Funziona su principi elettrostatici.
- Capsule a base condensatore con piastra mobile(diaframma) e piastra fissa.
- Un metodo per caricare permanentemente la capsula(ASIC o materiale electret).
Entrambi i tipi di microfoni sono anche molto comuni e sono generalmente utilizzati nell’elettronica di consumo e professionale che richiede microfoni.
Diamo ora un’occhiata alle differenze tra questi due microfoni comunemente usati. In particolare, discuteremo dei vantaggi che ogni tipo di microfono ha rispetto all’altro.
A partire dal tipico microfono MEMS:
- Taglia più piccola.
- PCB analogico e ADC integrati nel pacchetto.
- Bassa impedenza(molto meglio per ambienti rumorosi).
- Più resistente alle vibrazioni meccaniche.
- La tecnologia dei microfoni MEMS si sta sviluppando rapidamente.
E ora per i microfoni a condensatore electret:
- Molti modelli legacy hanno capsule microfoniche a elettrete.
- Le connessioni ECM includono pin, fili, SMT, piazzole di saldatura e contatti a molla, il che le rende molto più flessibili da progettare all’interno di varie applicazioni.
- Migliore protezione da polvere e umidità, in parte grazie alle sue maggiori dimensioni fisiche.
- I prodotti ECM sono disponibili con direzionalità intrinseca: omnidirezionale, bidirezionale, unidirezionale o anche con cancellazione del rumore.
- Gamma di tensione operativa più ampia, che consente loro di funzionare su binari di tensione regolati in modo lasco.
- La tecnologia Electret si estende ai microfoni da studio, di misurazione e cinematografici di livello professionale.
Domande correlate
I microfoni sono analogici o digitali? I microfoni, per la natura del loro design, sono trasduttori analogici che convertono le onde sonore(energia delle onde meccaniche) in segnali audio(energia elettrica). Il più delle volte, i microfoni emettono una tensione CA(segnali audio analogici). Tuttavia, ci sono microfoni digitali sul mercato con convertitori analogico-digitali integrati che emettono audio digitale.
Qual è la sensibilità di un microfono? La sensibilità del microfono può essere considerata in tre modi:
- Classificazione di sensibilità: il livello di uscita del microfono a un determinato livello di pressione sonora.
- Livello di sensibilità microfono del sistema operativo Windows: il volume/guadagno del microfono immesso nel sistema operativo Windows.
- Sensibilità del microfono: il modo in cui un microfono reagisce a piccole sfumature nel livello di pressione sonora. La risposta transitoria ha molto a che fare con questa «sensibilità».
