Wewnątrz mikrofonu MEMS: od fali dźwiękowej do sygnału cyfrowego

1. Wprowadzenie
2. Jak to działa
3. Struktura sprzętowa
4. Możliwości inżynierii akustycznej firmy Bestar
5.Wnioski

Wstęp
Przez dekady elektretowy mikrofon pojemnościowy (ECM) był domyślnym replikatorem w dziedzinie audio dla użytkowników domowych. ECM-y są tanie, proste i funkcjonalne. Mają jednak fundamentalne ograniczenie: są budowane ręcznie, jak komponenty analogowe, przez co różnią się między sobą, są wrażliwe na ciepło i trudno je zmieścić w telefonie komórkowym.
Mikrofony MEMS Zmienione raz na zawsze. MEMS (Mikroelektromechaniczne Systemy) to urządzenia, które zawierają elementy mechaniczne oraz obwody elektroniczne na tym samym krzemowym chipie, wytwarzane w tych samych procesach półprzewodnikowych, które są wykorzystywane w produkcji procesorów i pamięci. W zastosowaniu do czujników akustycznych oznacza to, że można stworzyć mikrofon, który działa mniej jak tradycyjny układ elektromechaniczny, a bardziej jak precyzyjny element półprzewodnikowy.
Praktyczne korzyści są ogromne. Po pierwsze, mikrofony MEMS charakteryzują się spójnością. Proces produkcji mikrofonów MEMS wykorzystuje płytki krzemowe w procesie fotolitografii, dzięki czemu czułość i charakterystyka częstotliwościowa milionów jednostek mikrofonu rezonansowego są ściśle kontrolowane. Po drugie, stabilność termiczna – mikrofony MEMS skalują temperatury lutowania rozpływowego na liniach montażowych SMT, w których konwencjonalne moduły ECM ulegają zniszczeniu. Po trzecie, obudowy MEMS zazwyczaj mają wymiary 2,5 x 1,8 mm lub mniejsze, co umożliwia produkcję ultracienkich smartfonów, słuchawek TWS, inteligentnych pojazdów i urządzeń IoT, które są synonimem nowoczesnej elektroniki użytkowej.
Właściwości te sprawiły, że mikrofony MEMS stały się standardem w zastosowaniach, w których priorytetem jest jakość dźwięku, niezawodność produkcji lub miniaturyzacja urządzeń.

Jak to działa: przekształcanie dźwięku w sygnał elektryczny
A Mikrofon MEMS Działa na zasadzie zmiany pojemności. Aby zrozumieć ten mechanizm, wystarczy podstawowa znajomość fizyki.
Kondensator to magazyn energii elektrycznej, który utrzymuje ładunek elektryczny między dwiema przewodzącymi płytkami, oddzielonymi szczeliną. Pojemność (ilość zgromadzonego ładunku) jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między płytkami. Zmiana tej odległości powoduje zmianę pojemności. Zmiana pojemności w naładowanym układzie powoduje również zmianę napięcia w tym układzie. Ta zmiana napięcia reprezentuje sygnał elektryczny.
W przypadku mikrofonu MEMS, dwie „płytki” to membrana i płytka tylna. Membrana to cienka i elastyczna membrana silikonowa, a kilka mikronów dalej, z tyłu płytki tylnej, znajduje się sztywna, perforowana elektroda. Fale dźwiękowe (fale ciśnienia w powietrzu) ​​naciskają na membranę i powodują jej uginanie. To uginanie zmienia szczelinę między membraną a płytką tylną, a to z kolei zmienia pojemność, która generuje sygnał napięciowy odpowiadający przenoszonemu tam ciśnieniu akustycznemu.
Generowany sygnał jest niezwykle mały, rzędu mikrowoltów. Nie może on pokonać dużej odległości bez wzmocnienia i kondycjonowania. Tak właśnie działa układ ASIC.
Układ ASIC (Application Specific Integrated Circuit) to drugi krzemowy układ scalony znajdujący się w każdym mikrofonie MEMS. Spełnia on trzy funkcje. Po pierwsze, dostarcza stabilne napięcie polaryzacji do elementu pojemnościowego (nazywanego pompą ładunkową, wewnętrznym obwodem generującym napięcie polaryzacji o stałym poziomie, w celu uzyskania stałego pola elektrycznego w kondensatorze). Po drugie, jest środkiem konwersji impedancji, który zamienia wyjście o wysokiej impedancji elementu pojemnościowego na impedancję sygnału sterującego toru sygnałowego o niskiej impedancji. Po trzecie, wzmacnia sygnał, a w wersji cyfrowej przetwarza go do formatu sygnału standardowego.

Struktura sprzętowa: mikromechanika klasy półprzewodnikowej
Układ MEMS (układ czujnikowy)
Tłok jest elementem ruchu. Zazwyczaj jest to okrągła lub prostokątna membrana wykonana z krzemu, o grubości kilku mikrometrów, zamocowana na krawędziach i pozostawiona do swobodnego wyginania się w środku. Ma sztywność i masę, które determinują czułość i charakterystykę częstotliwościową mikrofonu. Cieńsze, większe membrany charakteryzują się większą czułością, ale mniejszą sztywnością.
Tylna powierzchnia płyty tylnej to elektroda stacjonarna. Jest ona przebita szeregiem otworów akustycznych, wystarczająco małych, aby zapewnić sztywność konstrukcji, ale wystarczająco dużych, aby zapewnić przepływ powietrza, dzięki czemu brak oporu lepkościowego uniemożliwia ruch membrany. Szczelina między membraną a płytą tylną wynosi zazwyczaj 1-4 mikrometry. Utrzymanie tego wymiaru w całym procesie produkcyjnym jest jednym z problemów związanych z wytwarzaniem urządzeń akustycznych MEMS.
Układ przetwarzania sygnału (układ ASIC)
Układ ASIC realizuje transformację impedancji, wstępne wzmocnienie i konwersję analogowo-cyfrową. W przypadku analogowych urządzeń wyjściowych dostarcza sygnał napięciowy, pojedynczy lub różnicowy, o stałym wzmocnieniu. W cyfrowych urządzeniach wyjściowych zawiera modulator SD, który przekształca sygnał analogowy na PDM (modulację gęstości impulsów) lub strumień bitów I²S.
Opakowanie i akustyka wnęki
Dwa układy scalone (MEMS i ASIC) są montowane w obudowie do montażu powierzchniowego, zazwyczaj w obudowie LCC z metalową pokrywą lub plastikowej obudowie typu LGA. Port akustyczny znajduje się albo na spodzie obudowy (port dolny), albo na górnym porcie.
Mikrofony z dolnym portem wyrównują otwór akustyczny z otworem w płytce drukowanej poniżej i pobierają dźwięk spod płytki. Mikrofony z górnym portem otwierają się w stronę komponentu i odbierają dźwięk z góry. Wybór zależy od geometrii zastosowanej obudowy, wymagań dotyczących uszczelnienia akustycznego oraz kierunku źródła dźwięku.
Stosunek objętości komory przedniej do objętości komory tylnej (przestrzeni po obu stronach membrany) ma bezpośredni wpływ na czułość i odpowiedź w zakresie niskich częstotliwości. Większa komora przednia generalnie poprawia rozszerzenie niskich częstotliwości.

Możliwości inżynierii akustycznej firmy Bestar
Najlepszy Firma rozwinęła swoją ofertę mikrofonów MEMS dzięki stałym inwestycjom w badania akustyczne i sterowanie procesami na poziomie półprzewodników. Poza dostawą komponentów, Najlepszy może również dostarczyć rozwiązania.

Wniosek
Mikrofon MEMS to niezwykłe urządzenie. Przetwarza zmiany ciśnienia powietrza (dźwięk) na informacje elektryczne z niezwykłą dokładnością, przesyłając je z powrotem do komputera, w opakowaniu mniejszym niż ziarenko ryżu.
Jest to możliwe dzięki połączeniu fizyki akustyki i produkcji półprzewodników. Zasada działania kondensatora zmiennego jest znana od ponad stu lat. Zmieniła się jednak możliwość wykonania takiego kondensatora, w tym membrany, płyty tylnej i szczeliny, przy koszcie, który nie uwzględnia poziomu precyzji mikroprądowej.
Patrząc w przyszłość, to mikrofony zużywają moc rzędu mikrowatów, są stale włączone i wybudzają urządzenie tylko po odebraniu określonego słowa kluczowego. Mikrousługi przetwarzania głosu oparte na sztucznej inteligencji (AI) zapowiadają się ekscytująco. Wymaga to jeszcze bardziej zaawansowanych technologii w projektowaniu energooszczędnych układów ASIC oraz w łączeniu czujników. Mikrofony MEMS są dobrze przygotowane na tę transformację, a ich wydajność i gęstość połączeń sprawiają, że stanowią naturalną podstawę dla kolejnego etapu funkcjonowania urządzeń opartych na głosie.
Niezależnie od tego, czy zamawiasz gotowy komponent, czy chcesz uzyskać poradę dotyczącą konfiguracji dowolnego rodzaju systemu akustycznego, skontaktuj się z nami. kontakt Najlepszy, Najlepszy jest do Państwa dyspozycji, aby pomóc w realizacji projektu, począwszy od specyfikacji początkowej, aż do gotowości do produkcji.