Mikrofony MEMS - charakterystyka i właściwości

Rys. 1. Widok mikrofonu MEMS ze zdjętą górną częścią obudowy

Zakres dynamiczny mikrofonów MEMS jest bardzo szeroki, co przy jednocześnie niskich szumach własnych otwiera możliwości wykorzystania ich jako bazy do konstrukcji aparatury pomiarowej dla branży akustyki, np. fonometrów. Na rysunku 1 pokazano wnętrze obudowy mikrofonu produkowanego przez STMicroelectronics, które zawiera układ scalony i czujnik dźwięku w technologii MEMS.

Od strony elektrycznej sensor jest kondensatorem wykonanym w krzemie i zawierającym dwie powierzchnie: jedną nieruchomą, drugą cienką i elastyczną tak, aby uginała się pod wpływem fali akustycznej. Powierzchnie te są metalizowane i połączone z układem ASIC realizującym konwersję zmian pojemności na sygnał elektryczny i dopasowanie impedancji.

Na rysunku 2 pokazano schematyczny przekrój czujnika. Jak widać, ruchoma membrana jest umieszczona wewnątrz sztywnej konstrukcji, która chroni ją przed narażeniami i przeciążeniem wywołanym silną falą akustyczną. Obudowa zawiera od góry wiele otworów, przez które przenika do wnętrza fala akustyczna, powodując wyginanie membrany w dół i w górę.

Rys. 2. Konstrukcja sensora z zaznaczoną elastyczną membraną i obudową wraz z otworami

Dodatkowy otwór wentylacyjny zapewnia wyrównanie ciśnienia i właściwe tłumienie mechanicznego ruchu membrany przy niskich częstotliwościach. Średnice, liczba otworów w czujniku oraz działanie układu wentylacyjnego mają zasadniczy wpływ na jakość i parametry pracy mikrofonu, m.in. szumy i odpowiedź impulsową.

Wygięcie metalizowanej membrany, elektrycznie odłączonej od przewodzącej obudowy sensora, wywołuje zmiany pojemności powstałego kondensatora, proporcjonalne do chwilowego ciśnienia fali akustycznej. Zmiany pojemności są przetwarzane przez układ ASIC na sygnał cyfrowy sygnał PDM lub kierowane na wyjście w formie analogowej, w zależności od wersji układu. Ponadto wejście dźwięku do mikrofonu może być zrealizowane do dołu lub od góry obudowy (top lub bottom port).

Jak wiele zależy od obudowy?

Rys. 3. Obudowa 4×5 z wejściem od góry

W popularnej obudowie typu 4×5 (np. dla układu MP45DT02) układ ASIC umieszczony jest pod tuż pod otworem kanału dźwiękowego i aby nie docierało do niego światło, jest on pokryty warstwą ochronną polimeru. Tworzywo widać też na rysunku 1 w postaci czarnej masy przykrywającej chip. Jednocześnie czujnik MEMS znajduje się z boku (rys. 3), a wszystkie elementy wewnętrzne przyklejone są do podłoża. Odsunięcie czujnika od otworu wejściowego sprzyja trwałości, bo ogranicza przenikanie kurzu, ale na skutek obecności dwóch komór akustycznych w paśmie akustycznym pojawiają się pasożytnicze rezonanse, a poziom generowanych szumów też jest gorszy.

W innej obudowie typu 3×4, w której zamykane są mikrofony MP34DB01 i MP34DT01, układ ASIC i czujnik MEMS połączone są ze ścianką dolną lub górną, ale za każdym razem jest to ta, w której wykonany jest otwór kanału dźwiękowego (rys. 4 a i b). W tym rozwiązaniu czujnik tworzy akustyczną komorę czołową, zaś reszta obudowy komorę tylnią. Takie rozwiązanie charakteryzuje się znakomitymi parametrami szumowymi i zapewnia też płaską charakterystykę przenoszenia w szerokim paśmie częstotliwości.

Rys. 4. Mniejsza obudowa 3×4 z wejściem od dołu (a) i góry (b)

Wadą jest to, że przy montażu na płytce dla wersji z wejściem u dołu trzeba budować dodatkowy kanał dźwiękowy biegnący przez płytkę, a dodatkowo zabezpieczać cały element podczas produkcji, aby topniki, pasta lutownicza lub pokrycia lakiernicze nie uszkodziły delikatnej struktury czujnika MEMS. Każda osłona lub konieczność przeniesienia dźwięku przez warstwę laminatu degradują też płaską charakterystykę częstotliwościową. Stąd jeśli tylko jest to możliwe, najkorzystniej jest wykorzystywać mikrofon z wejściem od góry.

Kolejną obudową wykorzystywaną do produkcji mikrofonów MEMS przez firmę STMicroelektronics jest 3×3 o wymiarach 3,76 na 2,95 mm. Ma ona wejście dźwięku od dołu, ale nieco mniejsze wymiary od poprzednich rozwiązań. Przykładowy mikrofon tego typu to MP33AB01 i jest to najlepszy układ produkowany przez ST pod względem parametru SNR.

Kompatybilność elektromagnetyczna mikrofonów

Tabela 1. Zestawienie parametrów mikrofonów MEMS produkcji STMicroelectronics

Mikrofony MEMS zamykane są w plastikowych obudowach, ale aby poprawić ich odporność na promieniowanie elektromagnetyczne, producent zatapia w plastiku metalowy ekran, który realizuje funkcję klatki Faradaya. Metalowy ekran znacząco zmniejsza natężenie pola elektromagnetycznego wewnątrz obudowy mikrofonu oraz poprawia odporność czujnika na wyładowania elektrostatyczne. Na rysunku 5 pokazano rozkład pola elektromagnetycznego wokół i wewnątrz obudowy mikrofonu. Jak widać, ekran skutecznie ogranicza jego wartość (niebieskie barwy wewnątrz, czerwone na zewnątrz).

Dokładne rozumienie parametrów mikrofonu

Rys. 5. Natężenie pola EM wokół obudowy mikrofonu i wewnątrz

Prawidłowy wybór optymalnego mikrofonu dla tworzonej aplikacji wymaga dobrej znajomości i zrozumienia parametrów, którymi charakteryzują się te elementy. Dlatego poniżej przedstawione zostaną krótkie opisy, czego można się spodziewać w kartach katalogowych tych układów.

Czułość (sensivity) - to parametr wiążący ze sobą wielkość sygnału wyjściowego mikrofonu i wejściowe ciśnienie akustyczne dźwięku. Punktem odniesienia jest 1 pascal (Pa) ciśnienia akustycznego odnoszony do progu słyszalności ustalonej na 20 µPa. W jednostkach decybelowych 1 Pa = 94 dBSPL przy częstotliwości 1 kHz, bo 20·Log(1 Pa/20 µPa) = 94 dBSPL. Czułość dla mikrofonów analogowych wyrażana jest w mV sygnału RMS na wyjściu dla podanego ciśnienia referencyjnego lub dBV/Pa. Dla cyfrowych jest to dBFS - decybelowa miara w odniesieniu do pełnej skali przetwarzania przetwornika. Co ważne, dBV to nie to samo co dBFS. Te jednostki są nieporównywalne ze sobą.

Rys. 6. Ekwiwalentne szumy wejściowe EIN na tle innych parametrów mikrofonu

Kierunkowość - parametr ten określa, jak czułość zmienia się w zależności od kierunku padania fali akustycznej. Mikrofony produkowane przez ST nie są kierunkowe.

SNR - signal-to-noise ratio, czyli odstęp sygnału użytecznego od szumu (sygnału wyjściowego dla absolutnej ciszy) określa zachowanie mikrofonu przy słabych sygnałach. SNR jest podawany dla sygnału referencyjnego 1 Pa @ 1 kHz, który porównuje się z szumami. Parametr ten uwzględnia zarówno szumy generowane przez sensor, jak i układ ASIC. Mierzone szumy przepuszcza się przez filtr o charakterystyce A po to, aby odpowiadały one temu, jak są słyszane przez ucho ludzkie.

Zakres dynamiczny i punkt przeciążenia - zakres dynamiczny to różnica między maksymalnym a minimalnym użytecznym sygnałem wyjściowym mikrofonu. W praktyce sygnałem minimalnym jest szum równoważny ciszy, sygnał maksymalny to poziom ciśnienia akustycznego, który mikrofon przenosi bez zniekształceń. Wartość ta często też jest opisywana jako punkt przeciążenia AOP (Acoustic Overload Point), czyli moment, gdy zniekształcenia w sygnale wyjściowym sięgają 10%.

Ekwiwalentne szumy wejściowe EIN - to poziom ciśnienia sygnału akustycznego wyrażony w dBSPL odnoszący się do szumu wyjściowego ustalany tak, jak pokazano na rysunku 6.

Rys. 7. Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa

Odpowiedź częstotliwościowa - określa, jak zmienia się czułość mikrofonu w całym paśmie akustycznym. Punktem odniesienia 0 dB = 94 dBSPL jest czułość dla 1 kHz. Na falowanie charakterystyki mają wpływ geometria komór akustycznych w obudowie, działanie otworu wentylacyjnego (spadek czułości dla niskich częstotliwości) oraz rezonans wywołany efektem Helmholtza (podbicie przy wysokich częstotliwościach). Przykładowa charakterystyka dla MP45DT02 pokazana jest na rysunku 7.

Całkowite zniekształcenia harmoniczne THD+N to harmoniczne i szumy pojawiające się w sygnale elektrycznym po podaniu do mikrofonu niezniekształconego sygnału akustycznego. Typowo są mierzone w zakresie częstotliwości 50 Hz - 4 kHz po podaniu na wejście sygnału 1 kHz równoważnego 100 dBSPL i przedstawiane jako procent obrazujący wielkość zniekształceń odniesioną do podawanego sygnału.

W tabeli 1 przedstawiono zestawienie najważniejszych parametrów mikrofonów MEMS produkowanych przez STMicroelectronics.

Robert Magdziak