¿Qué es un micrófono MEMS? (Sistemas micro electromecánicos)
A medida que avanzan las tecnologías, a menudo se vuelven más pequeñas. Este es en parte el caso de los micrófonos y ciertamente es el caso de la invención del micrófono MEMS.
¿Qué es un micrófono MEMS? Un micrófono MEMS (sistemas microelectromecánicos) es un diafragma sensible a la presión grabado en una oblea de silicio mediante el procesamiento MEMS. Los micrófonos MEMS se basan principalmente en cápsulas electret y normalmente tienen preamplificadores integrados y convertidores de analógico a digital. Los micrófonos MEMS también se conocen como chips de micrófono o micrófonos de silicio.
En este artículo, analizaremos los micrófonos MEMS con mayor detalle, abordando su construcción, aplicaciones y la tecnología MEMS en general.
¿Qué es un micrófono MEMS?
Un micrófono MEMS es un micrófono que se produce mediante técnicas de procesamiento de sistemas microelectromecánicos. Los micrófonos MEMS también se conocen comúnmente como chips de micrófono, micrófonos de silicio,
Estos micrófonos están efectivamente grabados en una oblea de silicio semiconductora. Una membrana móvil sensible a la presión (diafragma) está grabada detrás de una placa perforada estacionaria. La placa estacionaria perforada y el diafragma actúan juntos para formar un condensador (muy parecido al diseño de un micrófono de condensador).
Los micrófonos MEMS, como la mayoría de las tecnologías MEMS, se fabrican en líneas de producción utilizando obleas de silicio semiconductoras y procesos altamente automatizados. Se apilan diferentes capas de diferentes materiales sobre la oblea de silicio y luego se graba el material innecesario.
Cuando se realiza el grabado, el elemento transductor del micrófono MEMS tiene un diafragma móvil; una placa estacionaria pero perforada, y la carcasa a su alrededor.
Un ASIC (circuito integrado específico de la aplicación) está diseñado para encajar con el elemento transductor de un micrófono MEMS. Utiliza una bomba de carga para colocar una carga fija entre la placa estacionaria y la membrana del micrófono. Los ASIC son microchips especialmente diseñados.
De esta manera, el transductor MEMS básico se parece mucho a un micrófono de condensador electret (ECM). Para obtener más información sobre los micrófonos MEMS y los ECM, vaya a la sección Micrófonos MEMS vs. Micrófonos de condensador electret.
Juntos, el componente del transductor y el ASIC se colocan en una placa de circuito impreso (PCB) y se protegen con una cubierta mecánica. Esta cubierta está diseñada con un pequeño orificio para permitir que el sonido entre en el elemento del micrófono. El sonido debe pasar a través de la caja protectora y luego a través de la placa perforada para llegar al diafragma MEMS.
La mayoría de los micrófonos MEMS que se utilizan en el mercado hoy en día contienen una segunda matriz semiconductora (circuito integrado) diseñado para funcionar como un preamplificador de audio.
Un diseño de micrófono MEMS digital normalmente tendrá un chip semiconductor de óxido de metal (CMOS) adicional que actúa como un convertidor de analógico a digital. Estos chips toman efectivamente las señales de audio analógicas amplificadas y las convierten en datos digitales. Estos ADC permiten que los micrófonos MEMS digitales se integren más fácilmente con productos digitales.
El formato más común para la codificación digital dentro de los micrófonos MEMS es la modulación por densidad de pulso (PDM). PDM permite la comunicación con una sola línea de datos y un reloj. Los receptores de señales PDM, como los propios micrófonos MEMS, son económicos y están fácilmente disponibles.
¿Cómo funcionan los micrófonos MEMS?
Entonces, ahora que conocemos los conceptos básicos de lo que es un micrófono MEMS, es hora de analizar cómo funcionan.
Antes de comenzar, repasemos los componentes de un micrófono MEMS:
Para cubrir todas nuestras bases, tomemos un hipotético micrófono MEMS digital para que podamos discutir también el convertidor de analógico a digital.
- Elemento transductor MEMS: incluido el diafragma/membrana; placa estacionaria perforada y carcasa.
- Placa de circuito impreso (PCB): incluye la unidad de polarización ASIC; preamplificador de micrófono y convertidor de analógico a digital.
- Cubierta mecánica.
Las ondas de sonido ingresan al micrófono MEMS a través de su cubierta y atraviesan la carcasa perforada y la placa antes de llegar al diafragma/membrana.
Las ondas sonoras provocan una presión sonora variable en el diafragma y una diferencia de presión entre la parte delantera y trasera del diafragma. Esta diferencia de presión hace que el diafragma se mueva en congruencia con las ondas sonoras.
Pero este movimiento del diafragma no hace nada para crear una señal de micrófono a menos que haya una carga entre el diafragma conductor y la placa estacionaria. La placa y el diafragma funcionan esencialmente como un condensador y requieren una carga para funcionar correctamente. El ASIC proporciona este cargo.
Una vez cargados, la placa y el diafragma pueden producir voltaje. Dado que actúan como un condensador, cualquier cambio en la capacitancia provocará un cambio de voltaje inversamente proporcional. La capacitancia es una función de la distancia entre la placa y el diafragma, de modo que cuando el diafragma oscila hacia adelante y hacia atrás, se produce un voltaje de CA (señal de micrófono).
Este voltaje necesita amplificación para que sea útil como señal de audio, por lo que un circuito integrado separado (matriz semiconductora), que se incluye en el PCB, amplifica la señal.
En un micrófono MEMS analógico, la señal amplificada se emitirá desde el micrófono MEMS y se enviará a donde debe ir.
Sin embargo, con un micrófono MEMS digital, hay un proceso adicional en el que un ADC convierte la señal analógica (generalmente a través de PDM) antes de emitir la señal de audio digital.
Hay algunos detalles adicionales que se deben analizar para comprender mejor cómo están diseñados para funcionar los micrófonos MEMS. Comencemos mirando un diagrama transversal simple de un micrófono MEMS:
Las líneas horizontales están ahí para representar las capas de material con el espacio vacío que representa el grabado.
Como vemos en la sección transversal anterior, la placa estacionaria está perforada lo que permite que el sonido llegue al diafragma de abajo. En este caso, el chip ASIC polarizador se adjunta a la placa, pero no siempre es así.
La cámara trasera en este ejemplo está cerrada, lo que significaría que el micrófono MEMS es un micrófono de presión (el diafragma solo está abierto a las ondas sonoras en un lado) y, por lo tanto, este ejemplo de micrófono simplificado en particular tendría un patrón omnidireccional.
La cámara trasera también actúa como un resonador acústico, lo que ayuda a afinar correctamente el micrófono.
El orificio de ventilación se incluye para permitir que la cámara trasera esté a presión ambiental (cualquiera que sea el ambiente).
Tenga en cuenta que las perforaciones detrás del diafragma (o en la cubierta protectora exterior) podrían incluirse en el diseño para producir un patrón polar direccional.
¿Qué es la tecnología de sistemas microelectromecánicos?
La tecnología de sistemas microelectromecánicos consiste, en general, en elementos mecánicos y electromecánicos miniaturizados realizados mediante las técnicas de microfabricación.
La fabricación de la tecnología MEMS implica la deposición de capas de material; modelado por fotolitografía y grabado para producir las cavidades y formas requeridas. De esta manera, la tecnología MEMS es muy similar a la fabricación de dispositivos semiconductores e incluso se considera una evolución de la fabricación de semiconductores.
La tecnología MEMS es muy pequeña. Los componentes utilizados tienen típicamente entre 1 y 100 micrómetros de espesor. El tamaño general de un solo dispositivo MEMS varía entre 20 micrómetros y un milímetro.
Los dispositivos MEMS consisten en una unidad central de procesamiento de datos (como un circuito integrado de microchip). Por lo general, también hay varios otros componentes dentro del dispositivo MEMS que interactúan con el entorno (como el microsensor o, en el caso de un micrófono MEMS, el diafragma/membrana).
Para obtener más información sobre la tecnología MEMS (y de alguien que la entienda mucho mejor que yo), consulte el siguiente enlace aquí.
¿Para qué se utilizan los micrófonos MEMS?
Los micrófonos MEMS se utilizan principalmente en productos de consumo que requieren algún tipo de micrófono. Su pequeño tamaño y sus ADC simples los convierten en una adición fácil (y económica) a los dispositivos que requieren un micrófono pero no un micrófono demasiado preciso.
Los micrófonos MEMS a menudo están involucrados en el diseño de:
- Dispositivos smarthome
- Celulares
- Computadoras de escritorio y portátiles
- Tabletas
- Audífonos
Micrófonos MEMS vs. Micrófonos de condensador electret
El diseño del micrófono MEMS se basa en gran medida en el diseño de la cápsula del micrófono de condensador electret.
Ambos tipos de micrófono incluyen los siguientes detalles de diseño:
- Trabaja en principios electrostáticos.
- Cápsulas con base de condensador con una placa móvil (diafragma) y una placa fija.
- Un método para cargar permanentemente la cápsula (ASIC o material electret).
Ambos tipos de micrófonos también son muy comunes y se usan típicamente en electrónica de consumo y profesional que requieren micrófonos.
Veamos ahora las diferencias entre estos dos micrófonos de uso común. En particular, discutiremos los beneficios que cada tipo de micrófono tiene sobre el otro.
Comenzando con el micrófono MEMS típico:
- Tamaño más pequeño.
- PCB analógico y ADC incorporados en el paquete.
- Baja impedancia (mucho mejor para entornos ruidosos).
- Más resistente a las vibraciones mecánicas.
- La tecnología de micrófonos MEMS se está desarrollando rápidamente.
Y ahora para micrófonos de condensador electret:
- Muchos diseños heredados tienen cápsulas de micrófono electret.
- Las conexiones del ECM incluyen pines, cables, SMT, almohadillas de soldadura y contactos de resorte, lo que las hace mucho más flexibles para el diseño dentro de varias aplicaciones.
- Mejor protección contra el polvo y la humedad, en parte debido a su mayor tamaño físico.
- Los productos ECM están disponibles con direccionalidad intrínseca: omnidireccional, bidireccional, unidireccional o incluso con cancelación de ruido.
- Rango de voltaje operativo más amplio, lo que les permite funcionar con rieles de voltaje poco regulados.
- La tecnología Electret se extiende a los micrófonos de estudio, medición y película de nivel profesional.
Preguntas relacionadas
¿Los micrófonos son analógicos o digitales? Los micrófonos, por la naturaleza de su diseño, son transductores analógicos que convierten las ondas sonoras (energía de onda mecánica) en señales de audio (energía eléctrica). La mayoría de las veces, los micrófonos emiten un voltaje de CA (señales de audio analógicas). Sin embargo, existen micrófonos digitales en el mercado con convertidores de analógico a digital integrados que emiten audio digital.
¿Cuál es la sensibilidad de un micrófono? La sensibilidad del micrófono se puede considerar de tres formas:
- Índice de sensibilidad: el nivel de salida del micrófono a un nivel de presión sonora dado.
- Nivel de sensibilidad del micrófono en el sistema operativo Windows: el volumen/ganancia del micrófono introducido en el sistema operativo Windows.
- Sensibilidad del micrófono: la forma en que un micrófono reacciona a pequeños matices en el nivel de presión sonora. La respuesta transitoria tiene mucho que ver con esta «sensibilidad».
