MEMS-микрофоны

Сущность MEMS-технологий (по-русски МЭМС – это микроэлектромеханические системы) состоит в том, что датчик механического воздействия (сенсор) объединяется в одном корпусе, а чаще всего и на одном кристалле со специализированной микросхемой, которая обрабатывает отклик этого датчика, формируя сигнал, совместимый с последующим устройством

MEMS-микрофон представляет собойсоединенные вместе и смонти-рованные на общей пластинке из кремнияминиатюрный акустический сенсор и аналоговая или цифровая микросхема. Все это размещается в миниатюрном корпусе с отверстием, через которое акустическая энергия поступает к сенсору. Чаще всего в MEMS-микрофонах используется конденсаторный (в т.ч. электретный) сенсор, реже - пьезоэлектрический.

MEMS-микрофоны бывают аналоговые и цифровые, т.е. выходной сигнал может быть аналоговым и может быть цифровым. Очевидно, что аналоговые и цифровые микрофоны имеют различное внутреннее устройство, что должно учитываться при разработке конструкции того устройства, частью которого они являются.

7.1. АНАЛОГОВЫЕ MEMS-МИКРОФОНЫ

Типичная блок-схема аналогового MEMS-микрофона показана на рис. 7.1. Основным элементом такой схемы является усилитель с конкретным значением выходного импеданса.

7.2. ЦИФРОВЫЕ MEMS-МИКРОФОНЫ

В цифровом MEMS-микрофоне этот усилитель интегрирован с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для формирования цифрового выхода в одном из форматов – либо в формате PDM (pulse density modulated - модуляция плотности импульсов), либо в формате I2S.В качестве АЦП здесь используется одноразрядный сигма-дельта модулятор, который формирует на выходе поток данных с высокой скоростью (порядка 3 МГц). На рис. 7.2 показана блок-схема с PDM-выходом MEMS-микрофона, а на рис. 7.3 – типичная блок-схема с выходом I2S. Микрофон I2S содержит те же цифровые элементы, что PDM-микрофон, а также децимирующий (прореживающий) фильтр, с помощью которого одноразрядный поток данных с выхода сигма-дельта модулятора приводится к последовательности отсчетов заданной разрядности, следующих с заданной частотой дискретизации (44,1 кГц, 48 кГц и т.п.). Полученная последовательность отсчетов поступает на выход микрофоначерез последовательный I2S порт

PDM является наиболее распространенным методом организации цифрового интерфейса микрофона. Этот формат позволяет объединить два микрофона и использовать для обмена с кодеком общие линии синхронизации и данных. Микрофоны настроены так, что каждый из них использует для передачи выходного сигнала свой временной участок в периоде тактового сигнала (сигнал от одного микрофона передается при низком уровне в периоде тактового сигнала, от другого – при высоком). Это позволяет двум микрофонам работать синхронно друг с другом (рис. 7.5), поэтому конструктор может быть уверен, что данные каждого из двух каналов регистрируются одновременно. В худшем случае данные от двух микрофонов будут разделены по времени на половину периода тактового сигнала. Частота сигнала тактовой синхронизации составляет обычно около 3 МГц, который приведет к межканальной разнице во времени всего в 16 мкс, что значительно ниже того порога, который можно заметить на слух

Для получения хорошего не зашумлённого цифрового сигнала через соединения, которые нередко могут достигать длины, по крайней мере, в несколько дюймов, часто полезным является включение в цепи соединительных проводов от источника к кодеку небольших по величине (от 20 Ω до 100 Ω) резисторовR (рис. 7.5). Для более коротких длин соединительных проводов, или при выполнении цепей синхронизации цифрового микрофона с более низкими скоростями, вполне возможно, что выводы микрофона могут непосредственно подключаться к кодеку или DSP, без необходимости использования каких-либо пассивных компонентов.

Формат I2S в течение уже многих лет был общепринятым внутренним цифровым интерфейсом для соединения АЦП и процессоров, но впоследствии он стал использоваться и для соединения с оконечными устройствами - такими, например, как микрофоны. Микрофон I2S обладает теми же преимуществами, что и микрофоны PDM, но на его выходе вместо сигнала с высокой частотой дискретизации, характерного для PDM выхода, цифровые данные после децимации выводятся со скоростью дискретизации, связанной с полосой частот аудиосигнала, т.е. примерно вдвое выше верхней частоты рабочего диапазона (44,1 кГц, 48 кГц и т.п.). При использовании PDM-микрофона, такое преобразование происходит в кодеке или в DSP, но при использовании микрофона I2S эта обработка осуществляется прямо в микрофоне, который в некоторых системах может полностью устранить необходимость в использовании отдельного АЦП или кодека. Микрофон I2S можно подключить непосредственно к DSP или микроконтроллеру, работающему с этим стандартным интерфейсом (рис. 7.6). Как и в случае с PDM-микрофонами, два микрофона I2S для образования стереопары могут подключаться к общей линии данных, хотя формат I2S использует два синхронизирующих сигнала – сигнал синхронизации по словам (WCLK) и сигнал синхронизации по битам (SCLK), вместо одного для PDM

7.3. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ MEMS-МИКРОФОНОВ

Как правило, аналоговые MEMS-микрофоны имеют меньшие размеры, чем цифровые. Это потому, что корпусу аналогового микрофона нужно меньше контактов (обычно три, против пяти или более для цифрового микрофона) и аналоговый усилитель имеет более простую схему, чем цифровой предусилитель. Это делает аналоговый усилитель меньше, чем цифровой предусилитель, изготовленный по той же технологии. Следовательно, в условиях ограниченного пространства внутри устройств, таких как, например, небольших по размеру мобильных устройств, аналоговые микрофоны являются предпочтительными из-за их малого размера.

Внутреннее устройство образцов аналогового и цифрового MEMS-микрофонов производства фирмы AnalogDevicesпоказано на рис. 7.7. На фотографиях с левой стороны видны сенсоры, а с правой – микросхемы, закрепленные на общей кремниевой пластинкес помощью эпоксидной смолы.Кремниевая пластинка выполняет роль печатной платы для разводки сигналов.Можно заметить также, что цифровой микрофон имеет дополнительные контактные площадки для подключения электрических сигналов от микросхемы к плате.

7.3. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ MEMS-МИКРОФОНОВ

Как правило, аналоговые MEMS-микрофоны имеют меньшие размеры, чем цифровые. Это потому, что корпусу аналогового микрофона нужно меньше контактов (обычно три, против пяти или более для цифрового микрофона) и аналоговый усилитель имеет более простую схему, чем цифровой предусилитель. Это делает аналоговый усилитель меньше, чем цифровой предусилитель, изготовленный по той же технологии. Следовательно, в условиях ограниченного пространства внутри устройств, таких как, например, небольших по размеру мобильных устройств, аналоговые микрофоны являются предпочтительными из-за их малого размера.

Внутреннее устройство образцов аналогового и цифрового MEMS-микрофонов производства фирмы AnalogDevicesпоказано на рис. 7.7. На фотографиях с левой стороны видны сенсоры, а с правой – микросхемы, закрепленные на общей кремниевой пластинкес помощью эпоксидной смолы.Кремниевая пластинка выполняет роль печатной платы для разводки сигналов.Можно заметить также, что цифровой микрофон имеет дополнительные контактные площадки для подключения электрических сигналов от микросхемы к плате.

На рис. 7.8 показаны сравнительные размеры трех микрофонов производства фирмы AnalogDevices, выполненные вкорпусах для поверхностного монтажа. Наименьший - это ADMP504, аналоговый микрофон с размерами 2,5 мм × 3.35 мм × 0,88 мм, средний – это PDM-микрофон ADMP521 в корпусе с размерами 3 мм × 4 мм × 1 мм и самый большой –это I2S микрофон ADMP441в корпусе с размерами 3,76 мм × 4.72 мм × 1,0 мм. Этот последний микрофон размещен в самом большом корпусе исключительно для того, чтобы на нем поместились 9 выводов. Но, несмотря на свои относительно большие размеры, этот микрофон сопоставим по функциональным возможностям с аналоговым микрофоном и отдельным ЦАП, так что даже если требуется экономия площади печатной платы, то отсутствие преобразователя перевешивает немного большую площадь, занимаемую микрофоном

EIN – это шум на выходе микрофона, соответствующий некоему теоретическому источнику акустического шума на его входе. EIN можно определить непосредственно по величине SNR, указанной в спецификации микрофона:

EIN = 94 дБ – SNR.

Фактически EIN и есть уровень собственных шумов микрофона.

MEMS-микрофоны раннихмоделей имели SNR примерно от 58 до 60 дБ, что существенно меньше, чем у их основных конкурентов - электретных микрофонов. Сегодня ситуация меняется – ведущие производители достигли радикальных улучшенийшумовых характеристик MEMS-микрофонов. Так, в микрофонах AMDP504 и AMDP521 компанииAnalogDevices (ADI) уровень шума снижен болеечем в два раза (на 6 дБ) по сравнению с предыдущимимоделями. Это первые MEMS-микрофоны, в которых достигнут уровень 65 дБА SNR (29 дБА EIN).

Величина SNR в 65 дБА хороша даже для обычных электретных микрофонов, но они, как правило, намного больше по размеру, чем MEMS-микрофоны. Причем у электретных микрофонов SNR быстро падает с уменьшением их размеров. Кроме того, они не обладают стабильностью звуковых характеристик при изменении температуры.

7.5. ДОСТОИНСТВА MEMS-МИКРОФОНОВ

Первые разработки конденсаторных MEMS-микрофонов и связанных с их изготовлением технологий появились в начале80-х годов прошлого века в связи с развитиемMEMS-технологий

Можно выделить следующие позиции, в которые MEMS-микрофоныимеют преимущество надобычнымиэлектретными:

● высокая функциональность;

● малый размер;

● низкая цена.

Из технологий изготовления MEMS-микрофонов вытекают следующие их особенности:

●Совместимость процессов формирования с интегральной КМОП-электроникой (усилителями, АЦП, конденсаторами и т. д.) как в масшта-бекорпуса, так и в масштабе кристалла; в перспективе - 3D-интеграция.

● Лучшая устойчивость к электромагнитным шумам за счетотсутст-вия проводов между сенсором и электроникой.

●Возможность формирования заданной диаграммы направленностии эффективное снижение уровня шумов при использованиив составе микрофонныхмассивов.

●Повышенная устойчивость к вибрациям и перепадам температуры.

●Уменьшение площади, занимаемой корпусом микрофона (фут-принта) и его высоты.

● Возможность закрепления на плате методами поверхностного монтажа, устойчивость к высоким температурам пайки, возможность автоматического монтажа.

● Перспективы снижения системной цены за счет более высокой интеграции и технологичности.

● Устойчивость к высокочастотным электромагнитнымпомехам (цифро-вых микрофонов).

То, что MEMS-микрофоны могут быть меньше, чем большинство компактных микрофонов, менее подвержены вибрациям, вариациям температуры, электромагнитным помехам, чрезвычайно важно для применения их в сотовых телефонах и других устройствах с аудиовходом - например, ноутбуках, видеорекордерах , цифровых камерах, а также в слуховых аппаратах и электронных стетоскопах

Немаловажнымпреимуществом MEMS-микрофонов является их способность противостоять высоким температурам пайки. Высокая цена производства изделий обычно связана с необходимостью ручнойсборки, но MEMS-микрофоны для поверхностного монтажа не боятсявысоких температур пайки с использованием температур плавления припоя до 260 °C, поэтому их монтаж можновыполнять в автоматическом режиме. Дляустановки электретных микрофонов аналогичные технологии не применяются.Таким образом, шансы снижения цен на устройства с MEMS-микрофонами более высокие, так как общая стоимость их складывается не только из стоимости производства самогокомпонента, но и высокой производительности, надежности, стоимости процесса сборки.

До самого последнего времени на рынке доминировали MEMS-микрофоны с конденсаторными сенсорами. Однако в 2016 году в рамках выставки MWC компании Infineon, AAC Technologies и Vesper представили новое поколение MEMS-микрофонов –уже с пьезоэлектрическими сенсорами. Новые микрофоны обладают наилучшим среди аналогичных изделий соотношением сигнал/шум – на уровне 66 дБ, а также способность вести запись без искажений звука вплоть до уровня 135 дБ. К другим несомненным достоинствам пьезоэлектрических MEMS-микрофонов можно отнести высокий уровень защиты от загрязнения и влаги. На стенде компании Vesper можно было увидеть пьезоэлектрический MEMS-микрофон, который не терял работоспособности даже при погружении в воду

Глава 7 монографии В.А. Никамин "Микрофоны" СПб, 2020, 116 с.