Binnenin de MEMS-microfoon: van geluidsgolf tot digitaal signaal

1. Inleiding
2. Hoe het werkt
3. Hardwarestructuur
4. De akoestische engineeringcapaciteiten van Bestar
5. Conclusie

Invoering
Decennialang was de elektretcondensatormicrofoon (ECM) de standaard voor het reproduceren van onderwerpen in consumentenaudio. ECM's zijn goedkoop, eenvoudig en functioneel. Maar ze hebben een fundamentele beperking: ze worden, net als analoge componenten, met de hand gemaakt en zijn daardoor inconsistent van exemplaar tot exemplaar, gevoelig voor hitte en moeilijk te verkleinen tot een mobiele telefoon.
MEMS-microfoons Voor eens en voor altijd veranderd. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) zijn apparaten die naast elektronische circuits ook mechanische componenten bevatten op dezelfde siliciumchip, vervaardigd met dezelfde halfgeleiderprocessen die worden gebruikt voor de productie van processoren en geheugen. Toegepast op akoestische detectie betekent dit dat een microfoon kan worden gemaakt die zich minder gedraagt ​​als een traditioneel elektromechanisch apparaat en meer als een precisie-halfgeleiderapparaat.
De praktische voordelen zijn enorm. Ten eerste zijn MEMS-microfoons consistent. Bij de productie van MEMS-microfoons worden siliciumwafers gebruikt via fotolithografie, waardoor de gevoeligheid en frequentierespons van miljoenen resonantiemicrofoons nauwkeurig worden gecontroleerd. Ten tweede is er thermische stabiliteit. MEMS-microfoons zijn bestand tegen de hoge temperaturen van het reflow-solderen op SMT-assemblagelijnen, een temperatuur waarbij conventionele ECM's worden vernietigd. Ten derde hebben MEMS-componenten doorgaans afmetingen van 2,5 x 1,8 mm en kleiner, waardoor ultradunne smartphones, TWS-oordopjes, slimme voertuigen en IoT-apparaten – die synoniem zijn met moderne consumentenelektronica – mogelijk worden.
Deze eigenschappen hebben ervoor gezorgd dat MEMS-microfoons de standaard zijn geworden voor elke toepassing waarbij audiokwaliteit, productiebetrouwbaarheid of miniaturisatie van het apparaat prioriteit hebben.

Hoe het werkt: Geluid omzetten in een elektrisch signaal
A MEMS-microfoon Het werkt volgens het principe van capaciteitsvariatie. Om dit mechanisme te begrijpen, is slechts de meest elementaire natuurkunde nodig.
Een condensator is een elektrische opslag die elektrische lading vasthoudt tussen twee geleidende platen die door een opening van elkaar gescheiden zijn. De capaciteit (de hoeveelheid lading die erin opgeslagen is) is omgekeerd evenredig met de afstand tussen de platen. Wanneer die afstand verandert, verandert ook de capaciteit. Wanneer er een verandering in capaciteit optreedt in een geladen systeem, verandert er ook een verandering in de spanning van dat systeem. Die spanningsverandering vertegenwoordigt het elektrische signaal.
Bij een MEMS-microfoon zijn de twee "platen" het membraan en de achterplaat. Het membraan is een dun en flexibel siliciummembraan. Aan de achterkant van de achterplaat bevindt zich een stijve, geperforeerde elektrode, enkele microns daarachter. Geluidsgolven (een drukgolf in de lucht) drukken tegen het membraan en zorgen ervoor dat het buigt. Door die buiging verandert de afstand tussen het membraan en de achterplaat, waardoor de capaciteit verandert. Deze verandering genereert vervolgens een spanningssignaal dat overeenkomt met de geluidsdruk die wordt doorgegeven.
Het gegenereerde signaal is extreem zwak, in de orde van microvolt. Het kan niet over een lange afstand worden verzonden zonder te worden versterkt en geconditioneerd. Dit is de werking van de ASIC.
De ASIC (Application Specific Integrated Circuit) is de tweede siliciumchip die in elke MEMS-microfoonbehuizing te vinden is. Deze chip vervult drie functies. Ten eerste levert hij een stabiele bias-spanning aan het capacitieve element (een zogenaamde laadpomp, een intern circuit dat een gelijkspanningspolarisatiespanning genereert om een ​​constant elektrisch veld over de condensator te creëren). Ten tweede zet hij de impedantie om, waardoor de hoge impedantie-uitgang van het capacitieve element wordt omgezet in de impedantie van het lage impedantiesignaal dat de signaalketen aandrijft. Ten derde versterkt hij het signaal en zet het in digitale versies om in een standaardsignaalformaat.

Hardwarestructuur: De micromechanica van halfgeleiderkwaliteit
De MEMS-chip (sensorchip)
De zuiger is het bewegende element. Het is meestal een cirkelvormig of rechthoekig membraan van siliconen, enkele micrometers dik, dat aan de randen is verankerd en in het midden vrij kan buigen. De stijfheid en massa van het membraan bepalen de gevoeligheid en frequentierespons van de microfoon. Dünnere, grotere membranen hebben een hogere gevoeligheid, maar zijn minder stijf.
De achterzijde van de achterplaat is de stationaire elektrode. Deze is voorzien van een reeks akoestische gaten, klein genoeg om structurele stijfheid te garanderen, maar groot genoeg om luchtstroom mogelijk te maken, waardoor er geen viskeuze weerstand is die de beweging van het membraan belemmert. De afstand tussen het membraan en de achterplaat bedraagt ​​normaal gesproken 1-4 micrometer. Het handhaven van deze afmeting gedurende het gehele productieproces is een van de uitdagingen bij de fabricage van MEMS-akoestische apparaten.
De signaalverwerkingschip (ASIC-chip)
De ASIC voert impedantietransformatie, voorversterking en analoog-digitaalconversie uit. Bij analoge uitvoerapparaten levert de ASIC een spanningssignaal, enkelvoudig of differentieel met een vaste versterking. Bij digitale uitvoerapparaten bevat de ASIC de SD-modulator die het analoge signaal omzet in PDM (Pulse Density Modulation) of een I²S-bitstroom.
Verpakking & Akoestiek Holte
De twee chips (MEMS en ASIC) zijn gemonteerd in een SMD-behuizing, meestal een LCC-behuizing met metalen deksel of een LGA-behuizing van kunststof. De akoestische poort bevindt zich ofwel aan de onderkant van de behuizing (onderste poort) of aan de bovenkant.
Microfoons met een poort aan de onderkant richten de akoestische opening naar een gat in de printplaat eronder en vangen het geluid van onder de printplaat op. Microfoons met een poort aan de bovenkant openen zich naar de componentzijde en ontvangen het geluid van bovenaf. De keuze hangt af van de geometrie van de gebruikte behuizing, de vereiste akoestische afdichting en de richting van de beoogde geluidsbron.
De verhouding tussen het volume van de voorste holte en het volume van de achterste holte (de ruimtes aan weerszijden van het membraan) heeft een direct effect op de gevoeligheid en de laagfrequentierespons. Een grotere voorste holte zal over het algemeen de laagfrequentie-extensie verbeteren.

De akoestische expertise van Bestar
Het beste Het bedrijf heeft zijn portfolio van MEMS-microfoons ontwikkeld door voortdurende investeringen in akoestisch onderzoek en procesbeheersing op halfgeleiderniveau. Naast het leveren van componenten, Het beste kan ook oplossingen bieden.

Conclusie
Een MEMS-microfoon is een zeer opmerkelijk apparaat. Het zet variaties in luchtdruk (geluid) om in elektrische informatie met een buitengewone nauwkeurigheid, die vervolgens naar de computer wordt gestuurd, in een behuizing die kleiner is dan een rijstkorrel.
Dit is mogelijk omdat akoestische fysica en halfgeleiderproductie samenkomen. Het principe van de variabele condensator is al meer dan honderd jaar bekend. Wat veranderd is, is dat het nu mogelijk is om die condensator, inclusief membraan, achterplaat en luchtspleet, te produceren tegen kosten die geen microstroomprecisie vereisen.
Vooruitkijkend zien we dat microfoons die slechts microwatts aan stroom verbruiken, constant aan staan ​​en een apparaat alleen activeren wanneer een specifiek trefwoord wordt ontvangen, veelbelovend zijn. Microservices voor spraakverwerking met AI zien er veelbelovend uit. Dit vereist nog geavanceerdere technologieën op het gebied van energiezuinig ASIC-ontwerp en sensorfusie. MEMS-microfoons zijn uitstekend geschikt voor deze transitie; hun efficiëntie en combinatiedichtheid maken ze de natuurlijke basis voor de toekomstige werking van spraakgestuurde apparaten.
Of u nu een standaardcomponent bestelt of advies wilt over de installatie van een akoestisch systeem, neem dan gerust contact met ons op. contact Het beste, Het beste staat klaar om u te helpen met uw project, van de eerste specificaties tot de gereedheid voor productie.