Zaloguj się
Wszystkie
13 sierpnia 2025
427
Mikrofony MEMS zrewolucjonizowały konstrukcje urządzeń audio – od smartfonów i bezprzewodowych zestawów słuchawkowych, poprzez laptopy i kamery, aż po sprzęt medyczny czy sensory środowiskowe. Daleko posunięta miniaturyzacja pozwala na montaż nawet wielu mikrofonów w jednym urządzeniu (np. w ramach macierzy mikrofonowej poprawiającej kierunkowość i jakość rozpoznawania głosu). Dzięki temu urządzenia mogą rejestrować fale akustyczne wielokanałowo i realizować zaawansowane funkcje, takie jak eliminacja szumów otoczenia czy lokalizacja źródła dźwięku. Co więcej, mikrofony MEMS cechują się także bardzo dobrą powtarzalnością parametrów i stabilnością długoterminową, spełniając wymagania profesjonalnych zastosowań pomiarowych (np. w ramach stacji monitoringu hałasu).
Budowa i zasada działania mikrofonów MEMS
W praktycznym ujęciu mikrofon MEMS jest najczęściej układem typu dual-die, tj. zawierającym dwa główne komponenty: właściwy sensor MEMS (akustyczny przetwornik pojemnościowy) oraz współpracujący z nim układ scalony (ASIC), realizujący szereg funkcji: zasilanie i stabilizację punktu pracy struktury mikromechanicznej, wstępne kondycjonowanie sygnału oraz jego przetwarzanie (np. konwersję A/C). Obie struktury są połączone ze sobą z użyciem techniki bondingu, stosowanej we wszystkich innych układach scalonych (zarówno monolitycznych, jak i hybrydowych) i zamknięte we wspólnej obudowie z wyprowadzeniami umożliwiającymi montaż SMD. W odróżnieniu od większości typowych układów półprzewodnikowych, obudowa mikrofonu MEMS musi być wyposażona w otwór akustyczny, aby fale dźwiękowe mogły dotrzeć do membrany. Otwór ten bywa umieszczony w górnej ściance obudowy (tzw. mikrofony top-port) albo w jej spodzie, czyli od strony PCB (konstrukcja bottom-port). Gwoli ścisłości należy dodać, że istnieją także – znacznie rzadziej spotykane – konstrukcje monolityczne, w których całość – zarówno ASIC, jak i właściwy przetwornik – są wykonane w ramach wspólnej struktury krzemowej.
Wewnątrz obudowy wydzielone są dwie komory akustyczne: przednia, umieszczona bezpośrednio przed membraną (często jest nią przestrzeń pod pokrywką obudowy w przypadku konstrukcji top-port lub sama mikromechaniczna wnęka w strukturze MEMS w przypadku bottom-port) oraz tylna, znajdująca się po drugiej stronie membrany. Wielkość tych komór wpływa na charakterystykę częstotliwościową mikrofonu – przykładowo ograniczona objętość komory przedniej może powodować rezonans i pewne podbicie w paśmie akustycznym, co wpływa na odbiór wysokich tonów, podczas gdy wielkość i geometria komory tylnej determinują w dużej mierze przenoszenie niskich częstotliwości. Projektanci mikrofonów MEMS optymalizują te parametry, dążąc do uzyskania względnie płaskiej charakterystyki w pasmie audio, przy jednoczesnym zachowaniu możliwie najmniejszych wymiarów całości.
Podstawowa technologia stosowana (już od wielu lat) do produkcji mikrofonów MEMS opiera się na pomiarze zmian pojemności pomiędzy delikatną membraną, a stałą (nieruchomą) płytką perforowaną, pełniącą rolę drugiej okładziny kondensatora płaskiego. W widoku mikroskopowym tego rodzaju sensora zwraca uwagę charakterystyczna, zwykle okrągła struktura, umieszczona w bloku krzemowym znajdującym się tuż obok układu ASIC – to właśnie ów kondensator. Struktura czujnika jest zasilana napięciem rzędu nawet kilkunastu woltów, wytwarzanym przez pompę ładunkową z głównego napięcia zasilania mikrofonu. Podbicie wartości napięcia jest konieczne w celu wytworzenia stabilnego pola elektrycznego – na tyle silnego, by móc uzyskać użyteczny sygnał wyjściowy. Niestety, takie rozwiązanie wiąże się nie tylko z relatywnie sporym poborem mocy, ale także dość długim czasem rozruchu (od 10 ms do nawet 800 ms w skrajnych przypadkach), co dyskwalifikuje tego rodzaju przetworniki z użycia w aplikacjach wymagających bardzo szybkiego wybudzenia ze stanu obniżonego poboru mocy.
Warto wspomnieć, że oprócz dominujących na rynku mikrofonów pojemnościowych MEMS pojawiły się także konstrukcje bazujące na zjawisku piezoelektrycznym, w których drgająca membrana generuje ładunek elektryczny bez potrzeby zewnętrznej polaryzacji – co upraszcza cały układ. Nie jest bowiem wymagane wysokie napięcie polaryzujące ani wewnętrzna pompa ładunkowa. Zaletą takich mikrofonów jest znacznie mniejsza wrażliwość na czynniki środowiskowe: brak szczeliny kondensatora oznacza wyraźnie lepszą odporność na pył, wilgoć czy drobiny, dostające się z otoczenia do komory przedniej. Dzięki temu mikrofon może pracować w trudnych warunkach (np. w urządzeniach mobilnych), a nawet obyć się bez dodatkowych osłon akustycznych. Ponadto mikrofony piezo MEMS cechują się bardzo krótkim czasem startu i niskim zużyciem mocy, co ułatwia realizację funkcji ciągłego nasłuchu (ang. always-on) przy zasilaniu bateryjnym czy też podczas pracy w trybie budzenia dźwiękiem (ang. wake-on-sound). Mimo tych zalet, mikrofony piezo są wciąż nowością i ustępują liczebnie klasycznym konstrukcjom pojemnościowym, te ostatnie okazały się bowiem „sprawdzone w boju” – są dobrze dopracowane i oferują doskonałe parametry akustyczne.
Warto wspomnieć także o supernowoczesnych mikrofonach MEMS, opartych na technologii optycznej. Takie właśnie rozwiązanie opracowała firma sensiBEL – mikrofon SBM100 oferuje zakres dynamiczny na poziomie 132 dB (tj. o 20 dB większy niż standardowe mikrofony MEMS), niebywale wprost płaską charakterystykę częstotliwościową oraz bardzo niski poziom szumów własnych. Technologia opiera się na pomiarze odbicia światła laserowego, emitowanego przez laser wnękowy typu VCSEL, od ruchomej membrany. Dane, po przetworzeniu przez zintegrowany układ ASIC, są udostępniane w rozdzielczości 24 bitów przez jeden z popularnych interfejsów cyfrowych (PDM, I²S lub 8-kanałowy TDM).
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
