O que é um microfone MEMS? (Sistemas micro eletromecânicos)
À medida que as tecnologias avançam, elas geralmente ficam menores. Este é em parte o caso dos microfones, e certamente é o caso da invenção do microfone MEMS.
O que é um microfone MEMS? Um microfone MEMS(sistemas microeletromecânicos) é um diafragma sensível à pressão gravado em uma pastilha de silício usando processamento MEMS. Os microfones MEMS são baseados principalmente em cápsulas de eletreto e normalmente possuem pré-amplificadores integrados e conversores analógico-digitais. Os microfones MEMS também são conhecidos como chips de microfone ou microfones de silício.
Neste artigo, examinaremos mais de perto os microfones MEMS, abordando sua construção, aplicações e tecnologia MEMS em geral.
O que é um microfone MEMS?
Um microfone MEMS é um microfone que é produzido usando técnicas de processamento de sistemas microeletromecânicos. Os microfones MEMS também são comumente conhecidos como chips de microfone, microfones de silício,
Esses microfones são efetivamente gravados em uma pastilha de silício semicondutora. Uma membrana móvel sensível à pressão(diafragma) é gravada atrás de uma placa perfurada estacionária. A placa perfurada estacionária e o diafragma atuam juntos para formar um condensador(muito parecido com o design de um microfone condensador).
Os microfones MEMS, como a maioria das tecnologias MEMS, são fabricados em linhas de produção usando pastilhas de silício semicondutoras e processos altamente automatizados. Diferentes camadas de diferentes materiais são empilhadas no wafer de silício e, em seguida, o material desnecessário é gravado.
Quando a gravação é realizada, o elemento transdutor do microfone MEMS possui um diafragma móvel; uma placa estacionária, mas perfurada, e o invólucro em torno dela.
Um ASIC(Application Specific Integrated Circuit) é projetado para combinar com o elemento transdutor de um microfone MEMS. Ele usa uma bomba de carga para colocar uma carga fixa entre a placa estacionária e a membrana do microfone. ASICs são microchips especialmente projetados.
Desta forma, o transdutor MEMS básico se assemelha a um microfone condensador de eletreto(ECM). Para obter mais informações sobre microfones MEMS e ECMs, vá para a seção MEMS vs. Microfones MEMS. Microfones condensadores de eletreto.
Juntos, o componente transdutor e o ASIC são colocados em uma placa de circuito impresso(PCB) e protegidos por uma tampa mecânica. Esta tampa é projetada com um pequeno orifício para permitir que o som entre no elemento do microfone. O som deve passar pela caixa de proteção e depois pela placa perfurada para chegar ao diafragma MEMS.
A maioria dos microfones MEMS em uso no mercado hoje contém um segundo conjunto de semicondutores(circuito integrado) projetado para funcionar como um pré-amplificador de áudio.
Um design de microfone digital MEMS normalmente terá um chip CMOS(metal-oxide-semiconductor) adicional que atua como um conversor analógico-digital. Esses chips efetivamente pegam sinais de áudio analógicos amplificados e os convertem em dados digitais. Esses ADCs permitem que os microfones MEMS digitais sejam mais facilmente integrados aos produtos digitais.
O formato mais comum para codificação digital em microfones MEMS é a modulação de densidade de pulso(PDM). O PDM permite a comunicação com uma única linha de dados e um relógio. Os receptores de sinal PDM, como os próprios microfones MEMS, são baratos e prontamente disponíveis.
Como funcionam os microfones MEMS?
Agora que sabemos o básico do que é um microfone MEMS, é hora de discutir como eles funcionam.
Antes de começarmos, vamos revisar os componentes de um microfone MEMS:
Para cobrir todas as nossas bases, vamos pegar um hipotético microfone MEMS digital para que possamos discutir também o conversor analógico para digital.
- Elemento transdutor MEMS: incluindo diafragma/membrana; placa estacionária perfurada e invólucro.
- Placa de Circuito Impresso(PCB): inclui a unidade de polarização ASIC; pré-amplificador de microfone e conversor analógico para digital.
- tampa mecânica.
As ondas sonoras entram no microfone MEMS através de sua tampa e passam pela caixa perfurada e pela placa antes de atingir o diafragma/membrana.
As ondas sonoras causam uma pressão sonora variável no diafragma e uma diferença de pressão entre a parte frontal e traseira do diafragma. Essa diferença de pressão faz com que o diafragma se mova em congruência com as ondas sonoras.
Mas esse movimento do diafragma não faz nada para criar um sinal de microfone, a menos que haja uma carga entre o diafragma condutor e a placa estacionária. A placa e o diafragma funcionam essencialmente como um capacitor e requerem uma carga para funcionar corretamente. O ASIC fornece essa cobrança.
Uma vez carregada, a placa e o diafragma podem produzir tensão. Como eles agem como um capacitor, qualquer mudança na capacitância causará uma mudança inversamente proporcional na tensão. A capacitância é uma função da distância entre a placa e o diafragma, portanto, quando o diafragma oscila para frente e para trás, uma tensão CA(sinal do microfone) é produzida.
Essa tensão precisa de amplificação para ser útil como sinal de áudio, de modo que um circuito integrado separado(matriz de semicondutores), incluído na placa de circuito impresso, amplifica o sinal.
Em um microfone MEMS analógico, o sinal amplificado será emitido pelo microfone MEMS e enviado para onde for necessário.
No entanto, com um microfone MEMS digital, há um processo adicional em que um ADC converte o sinal analógico(geralmente via PDM) antes de emitir o sinal de áudio digital.
Há alguns detalhes adicionais que precisam ser discutidos para entender melhor como os microfones MEMS são projetados para funcionar. Vamos começar olhando para um simples diagrama transversal de um microfone MEMS:
As linhas horizontais estão lá para representar as camadas de material com o espaço vazio representando a gravura.
Como vemos na seção transversal acima, a placa estacionária é perfurada, o que permite que o som alcance o diafragma abaixo. Nesse caso, o chip ASIC de polarização é anexado à placa, mas nem sempre é esse o caso.
A câmara traseira neste exemplo é fechada, o que significaria que o microfone MEMS é um microfone de pressão(o diafragma está aberto apenas para as ondas sonoras de um lado) e, portanto, esse exemplo de microfone simplificado em particular teria um padrão omnidirecional.
A câmera traseira também atua como um ressonador acústico, ajudando a afinar corretamente o microfone.
O orifício de ventilação está incluído para permitir que a câmera traseira fique à pressão ambiente(qualquer que seja o ambiente).
Observe que as perfurações atrás do diafragma(ou na tampa protetora externa) podem ser incluídas no projeto para produzir um padrão polar direcional.
O que é tecnologia de sistemas microeletromecânicos?
A tecnologia de sistemas microeletromecânicos geralmente consiste em elementos mecânicos e eletromecânicos miniaturizados feitos usando técnicas de microfabricação.
A fabricação da tecnologia MEMS envolve a deposição de camadas de material; modelagem por fotolitografia e gravura para produzir as cavidades e formas necessárias. Desta forma, a tecnologia MEMS é muito semelhante à fabricação de dispositivos semicondutores e é até considerada uma evolução da fabricação de semicondutores.
A tecnologia MEMS é muito pequena. Os componentes usados são tipicamente entre 1 e 100 mícrons de espessura. O tamanho geral de um único dispositivo MEMS varia entre 20 micrômetros e um milímetro.
Os dispositivos MEMS consistem em uma unidade central de processamento de dados(como um circuito integrado de microchip). Normalmente também existem vários outros componentes dentro do dispositivo MEMS que interagem com o ambiente(como o microssensor ou, no caso de um microfone MEMS, o diafragma/membrana).
Para obter mais informações sobre a tecnologia MEMS(e de alguém que a entende muito melhor do que eu), confira o seguinte link aqui.
Para que são usados os microfones MEMS?
Os microfones MEMS são usados principalmente em produtos de consumo que requerem algum tipo de microfone. Seu tamanho pequeno e ADCs simples os tornam uma adição fácil(e barata) a dispositivos que exigem um microfone, mas não um microfone muito preciso.
Os microfones MEMS são frequentemente envolvidos no projeto de:
- dispositivos domésticos inteligentes
- Celulares
- Desktops e notebooks
- comprimidos
- Fones de ouvido
Microfones MEMS vs. microfones de condensador de eletreto
O design do microfone MEMS é amplamente baseado no design da cápsula do microfone condensador de eletreto.
Ambos os tipos de microfone incluem os seguintes detalhes de design:
- Funciona em princípios eletrostáticos.
- Cápsulas de base do condensador com uma placa móvel(diafragma) e uma placa fixa.
- Um método para carregar permanentemente a cápsula(ASIC ou material de eletreto).
Ambos os tipos de microfones também são muito comuns e normalmente são usados em eletrônicos de consumo e profissionais que exigem microfones.
Vejamos agora as diferenças entre esses dois microfones comumente usados. Em particular, discutiremos os benefícios que cada tipo de microfone tem sobre o outro.
Começando com o microfone MEMS típico:
- Tamanho menor.
- PCB analógico e ADC embutidos no pacote.
- Baixa impedância(muito melhor para ambientes ruidosos).
- Mais resistente a vibrações mecânicas.
- A tecnologia de microfone MEMS está se desenvolvendo rapidamente.
E agora para microfones condensadores de eletreto:
- Muitos designs legados têm cápsulas de microfone de eletreto.
- As conexões ECM incluem pinos, fios, SMTs, almofadas de solda e contatos de mola, tornando-os muito mais flexíveis para projetar em várias aplicações.
- Melhor proteção contra poeira e umidade, em parte devido ao seu maior tamanho físico.
- Os produtos ECM estão disponíveis com direcionalidade intrínseca: omnidirecional, bidirecional, unidirecional ou até mesmo com cancelamento de ruído.
- Faixa de tensão de operação mais ampla, permitindo que funcionem em trilhos de tensão regulados de maneira flexível.
- A tecnologia Electret se estende a microfones de filme, medição e estúdio de nível profissional.
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Qual é a sensibilidade de um microfone? A sensibilidade do microfone pode ser considerada de três maneiras:
- Classificação de Sensibilidade – O nível de saída do microfone em um determinado nível de pressão sonora.
- Nível de sensibilidade do microfone do sistema operacional Windows – O volume/ganho do microfone inserido no sistema operacional Windows.
- Sensibilidade do microfone – a forma como um microfone reage a pequenas nuances no nível de pressão sonora. A resposta transitória tem muito a ver com essa «sensibilidade».
