În teorie, e simplu: toate microfoanele (convenționale și cele bazate pe MEMS) detectează undele acustice utilizând o membrană flexibilă. Membrana se deplasează sub presiunea indusă de undele acustice. În realitate, microfoanele diferă prin niveluri diferite de performanță. Mai mulți parametri definesc caracteristicile de performanță și potrivirea la aplicații: SNR – raport semnal/zgomot mare (SNR – Signal to Noise Ratio), gamă dinamică largă, liniaritate, distorsiuni cât mai mici la SPL (Sound Pressure Level) mare, robustețe la suprasarcină acustică, captarea în câmp îndepărtat și sensibilitate atât la semnale slabe, cât și la cele puternice. Microfoanele MEMS premium și procesarea audio sunt elementele cheie pentru a capta sunete de interes în medii variate și a beneficia de dispozitivele controlate prin voce.
Perfomanțele potențiale ale dispozitivelor trebuie să fie cât mai ridicate pentru prelucra și datele audio brute de calitate slabă. Microfoanele realizate prin tehnologia MEMS reprezintă o nouă generație, cu nivel superior al tuturor performanțelor de captare a undelor sonore, pentru o gamă de aplicații în medii reale foarte variate. Reducerea dimensiunilor și caracteristicile acustice îmbunătățite au condus la aplicații noi, care permit schimb de informații și experiențe cu videoclipuri prin Smartphone și FaceTime. Smartwatch-urile pot fi utilizate pentru a efectua apeluri vocale. S-a ajuns la nivelul în care putem comunica verbal cu asistenți digitali, să comandăm difuzoarelor inteligente să redea melodiile preferate sau să controlăm prin voce aparatele electrocasnice inteligente. Toate aceste noi funcții se bazează pe microfoane care preiau cu înaltă fidelitate semnalele audio. Mai mult, microfoanele MEMS sunt utilizate pentru anularea zgomotului activ în diverse medii, precum în timpul zborului cu avionul sau în timp ce se ascultă muzică.
Majoritatea microfoanelor MEMS (sistem micro-electromecanic) de pe piață utilizează tehnologia capacitivă pentru a capta și măsura sunetul. Microfoanele capacitive MEMS măsoară capacitatea dintre o membrană flexibilă și o placă de bază fixă, la scară mică. Modificările presiunii aerului create de undele sonore determină mișcarea membranei. Placa fixă este perforată pentru a permite aerului să curgă prin ea, fiind proiectată să rămână rigidă, deoarece aerul poate trece prin perforațiile sale. Pe măsură ce membrana se mișcă, capacitatea dintre membrana în mișcare și placa fixă se schimbă (deoarece se schimbă distanța dintre ele), iar această modificare se traduce în semnal electric ce poate fi analizat și înregistrat. Microfoanele MEMS sunt fabricate în volum mare folosind procese de producție a semiconductoarelor. Designul tipic combină un senzor MEMS și un ASIC. De aceea, sunt cunoscute și ca microfoane cu siliciu.
Un microfon MEMS este produs prin tehnologia de gravare pe siliciu și constă din două plăci / suprafețe de siliciu: o placă este fixă și una mobilă, numită membrană sau diafragmă. Suprafața fixă este acoperită de un electrod pentru a o face conductivă și este plină de găuri acustice care permit trecerea sunetului. Microfoanele MEMS digitale au, de obicei, preamplificatoare și convertoare analog-digitale
Microfonul MEMS cu două diafragme realizat prin tehnologia MEMS Dual Backplate, are designul de microfon capacitiv simetric miniaturizat (două microfoane spate în spate), asigurând o liniaritate ridicată a semnalului de ieșire într-un interval dinamic mare și distorsiuni foarte mici la presiune acustică mare. Microfonul MEMS cu membrană dublă și sigilare permite captarea semnalului audio practic fără zgomot. Toleranța de fabricație are ca rezultat o potrivire strânsă de fază a microfoanelor, ceea ce este important pentru aplicațiile multi-microfon (matrice de microfoane). Microfoanele MEMS sunt găzduite în capsule de mici dimensiuni (câțiva mm cubi) fiind potrivite pentru dispozitive purtabile, înregistrări acustice de înaltă calitate și aplicații de captare a vocii într-un mixaj de sunete.
Aplicațiile principale sunt din domeniul înregistrărilor audio avansate, precum anularea activă a zgomotului, comunicații și interfețe vocale, dispozitive cu constrângeri de spațiu astfel încât, indiferent unde ești, poți fi auzit.
Microfonul MEMS cu două plăci de fundal fixe produce o ieșire diferențială, datorită construcției sale simetrice, încât minimizează distorsiunea și crește semnificativ linearitatea. Un semnal diferențial este puțin afectat de interferența RF și gestionat mai ușor prin lanțul de procesare audio, reducând consumul de energie pentru ASIC-ul însoțitor.
Direcționalitatea. Majoritate microfoanelor MEMS sunt omnidirecționale. Se poate face reglarea non-volatilă a sensibilității direcționale a microfonului MEMS ca etapă de fabricație, realizând nano-electrodepozite integrate pe diafragmă pentru a obține direcționalitate ridicată, asemănătoare urechii umane. Prin redistribuirea masei / stresului pe diafragmă, se reglează sensibilitatea microfonului la sursele acustice de interes, în special pentru aparatele auditive, sensibile în medii în care sunetul vorbirii este mascat puternic de zgomot.
Filtrarea spațială (Beamforming) permite proiectanților să creeze microfoane direcționale utilizând mai multe dispozitive MEMS dispuse într-o matrice. Filtrarea spațială poate fi folosită pentru a încerca să se focalizeze captarea pe anumite surse de sunet într-o cameră în care sunt surse multiple de sunete.
Matricea de microfoane MEMS conține orice număr de microfoane, dispuse pe o arie, funcționând în echipă. Procesarea simultană prin DSP (procesor digital de semnal) a semnalelor de la fiecare dintre elementele individuale ale matricei de microfoane poate crea unul sau mai multe microfoane „virtuale”.
O matrice de microfoane MEMS se comportă ca microfon unic, cu sensibilitatea direcțională decisă prin design: microfon omnidirecțional, cardioid (direcțional), hipercardioid (foarte direcțional) sau bidirecțional.
Există multe aplicații:
- Sisteme pentru extragerea undelor sonore vocale din zgomotul ambiental (în special telefoane, sisteme de recunoaștere a vorbirii, aparate auditive).
- Sunet surround și tehnologii conexe (spațialitatea sunetului, punându-l pe auditor în centrul perimetrului sonor).
- Înregistrare binaurală (sunetele captate de două microfoane, aranjate cu intenția de a crea o senzație de sunet stereo 3-D pentru ascultător, ca și cum ar fi efectiv în cameră cu interpreții sau instrumentele).
- Localizarea obiectelor după sunet: localizarea sursei acustice, de exemplu, utilizarea militară pentru a localiza sursa (sursele) focului de artilerie. Localizarea și urmărirea aeronavelor.
- Înregistrări originale de înaltă fidelitate.
- Monitorizarea zgomotului de mediu.
An Introduction to MEMS Microphone Arrays | CUI Devices
Avantajele microfoanelor MEMS față de microfoane ECM
Microfonul ECM – Electret Condenser Microphone – este un microfon de tip condensator electrostatic, ce nu necesită o sursă de alimentare polarizantă, având un material dielectric – electret – polarizat permanent. A devenit din anul 1961 cel mai comun tip de microfon.
Microfonul MEMS poate fi cu ieșire analogică (inventat în anul 1983) sau Microfonul MEMS cu ieșire digitală – ce are adăugat în interior un convertor A/D (inventat în anul 2003).
Mic History: Who Invented Each Type Of Microphone And When? – My New Microphone
Microfoanele MEMS pot fi lipite pe un PCB la reflux, în timp ce microfoanele ECM, nu.
O diafragmă ECM nu poate rezista la temperaturile ridicate ale procesului de lipire prin reflux, deci trebuie lipite manual pe o placă. Se oferă o economie de costuri, deoarece asamblarea manuală este o etapă suplimentară a procesului.
Microfoanele MEMS au o „densitate de performanță” mai mare decât ECM. Sunt mult mai mici!
Asta înseamnă că un microfon MEMS va avea o performanță de zgomot mult mai bună, decât un ECM într-un volum echivalent. Microfoane ECM, care se potrivesc cu performanțele de zgomot redus ale microfoanelor MEMS, sunt de obicei într-un pachet mult mai mare. De exemplu unui microfon MEMS tipic cu SNR de 65 dB i se oferă o capsulă de 2,5 × 3,35 × 0,88 mm (7,4 mm3), în timp ce un ECM cu performanțe similare poate avea un diametru de 9 mm și o înălțime de 4 mm, având un volum de 254 mm3.
Microfoanele MEMS au intervale mai mari de temperatură de funcționare.
Fiind bazate pe siliciu sau piezo, microfoanele MEMS suportă temperaturi de funcționare mult mai largi decât cele cu electret, uzual de la -40 …+85°C, în timp ce ECM-urile sunt limitate la -20 …+70°C. Acest lucru permite ca microfoanele MEMS să fie utilizate în aplicații mai solicitante, în special cele în aer liber.
Microfoanele MEMS au o variație mai mică a sensibilității la temperatură.
ECM-urile nu au performanțe excelente la temperatură, iar sensibilitatea poate varia până la ±4dB pe intervalul de temperatură de funcționare, în timp ce sensibilitatea unui microfon MEMS poate varia doar cu 0,5 dB în același interval. Aceasta oferă o potrivire mai bună în sistemele cu mai multe microfoane, precum și o performanță mai consistentă în aplicațiile cu microfon unic.
Microfoanele MEMS au o sensibilitate la vibrații mai mică decât cele de tip ECM.
Masa diafragmei unui microfon MEMS este mult mai mică decât cea a unui ECM; deci va avea un răspuns mai mic la vibrațiile dintr-un sistem. Acest lucru poate oferi un avantaj de cel puțin 12 dB.
Microfoanele MEMS au un răspuns de frecvență mai uniform decât ECM-urile.
Aceasta înseamnă că o selecție aleatorie a microfoanelor MEMS de același tip, va avea răspunsuri aproape identice, în timp ce multe ECM-uri de același tip pot avea variații semnificative în răspunsurile lor, în special la frecvențe înalte și joase. Aceasta poate fi o problemă, în special în matricele de microfoane care se bazează pe microfoane care au răspunsuri identice.
Avantajele microfoanelor MEMS digitale
Un circuit integrat în interiorul capsulei MEMS convertește variațiile capacității polarizate într-o ieșire analogică sau digitală (modulată PDM) în funcție de tipul de microfon.
Microfoanele MEMS digitale pot accepta mai multe moduri de alimentare.
Dacă un microfon MEMS are mai multe moduri de alimentare, acesta este de obicei un microfon destinat aplicațiilor cu consum redus de energie. Prin schimbarea vitezei ceasului la partea digitală din microfon se schimbă modul de consum de energie. De obicei, un mod de consum redus (LPM) permite microfonului să rămână activ parțial într-un mod de ascultare continuă (Always On) pentru detectarea cuvintelor cheie și analiza sunetului ambiental. În acest mod, microfonul consumă cel mai mic curent, păstrând în același timp performanțe electroacustice ridicate.
Având mai multe moduri de alimentare, microfoanele MEMS pot economisi energie, oferind în același timp performanțe mai bune. Abilitatea de a comuta modurile de alimentare nu înseamnă că dispozitivele trebuie să facă compromisuri între consumul de energie și performanță. Schimbarea modurilor de alimentare se realizează prin modificarea vitezei de ceas a microfonului. Trebuie remarcat faptul că odată cu scăderea vitezei ceasului, performanța microfonului se reduce parțial, dar se folosește mai puțină energie.
Microfoanele MEMS digitale sunt mai imune la interferențele RF.
Ieșirea unui microfon MEMS digital este o secvență de valori discrete, astfel încât orice zgomot care este cuplat la aceste semnale (de la alte trasee PCB, interferențe RF etc.) afectează nesemnificativ prin comparație cu microfonul ECM și, prin urmare, nu are niciun efect la performanță. Semnalele de ieșire de la un microfon analogic, de orice tip, pot fi foarte afectate de perturbații, la niveluri de sunet reduse.
Lipsa de cuplare la perturbații RF a microfonului MEMS digital permite plasarea microfoanelor departe de restul sistemului, fără nicio reducere a performanței, oferind proiectantului mai multă flexibilitate în formatul fizic al PCB-ului.
Microfoanele MEMS digitale sunt mai ușor de interfațat.
Atât microfoanele ECM, cât și MEMS Analog necesită un dispozitiv codec dedicat ce conține un convertor analog/digital (A/D). Comparativ, microfoanele MEMS digitale nu au nevoie de un convertor A/D și astfel pot interfața direct la orice intrare digitală de pe un microcontroler, DSP sau codec digital dedicat.
Este mai scumpă o soluție bazată pe microfon MEMS digital?
Costul nu este doar prețul unei singure componente, ar trebui luate în considerare toate cerințele sistemului, precum și avantajele microfoanelor MEMS digitale prezentate mai sus. Dimensiunea și robustețea soluțiilor MEMS nu pot fi egalate de ECM.
O analiză a costurilor ar trebui să fie pentru întregul lanț audio: de la sunet – la ieșirea audio digitală procesată, deoarece un microfon cu cost redus poate să nu ofere neapărat soluția cu cel mai mic cost.
Aplicații
- Captură audio de înaltă calitate: de exemplu camere foto, camere video, sisteme de conferință
- Interfață utilizator – voce: de exemplu, difuzor inteligent, automatizare la domiciliu și dispozitive IoT
- Anulare activă a zgomotului: căști și difuzoare
- Detectarea modelelor audio: aplicații de întreținere predictivă, securitate sau siguranță
- Amplificarea sau atenuarea sunetelor.
Integrând microfoanele MEMS premium în setul de căști audio, sunetele din jur pot fi atenuate sau amplificate. Mai multe tipuri de căști au fost proiectate pentru un sunet optim cu senzația de ascultare 360° (binaural). Cu ochelarii VR/AR (realitate virtuală/realitate augmentată), utilizatorii își pot transforma mediul sonor interactiv într-un peisaj audiovizual, capturând și modelând forma sunetelor. Combinând anularea zgomotului activ cu îmbunătățirea procesării active a vorbirii, înseamnă că fiecare cuvânt al unei conversații poate fi auzit chiar și într-un mediu înconjurător zgomotos.
Sistemele de comunicare pentru noi aplicații au dezvoltat funcțiile audio avansate dând senzația de reducere a distanței percepută de interlocutori. În întreaga lume se extind sistemele de videoconferință avansate și crește calitatea comunicării. Microfoanele MEMS sunt combinate cu procesarea audio avansată, având abilitatea de a estima o sursă de sunete într-o mixtură, pentru a o separa și localiza. Această abilitate, bazată pe o matrice de microfoane, se folosește inclusiv pentru orientarea roboților. Sistemele de conferință video de astăzi sunt unități complet integrate, inclusiv codec, bazate pe camere video, microfoane pentru camere și difuzoare. Noua generație de microfoane MEMS este cheia funcțiilor avansate de comunicare și în smartphone-uri: (1) procesarea audio avansată ce amplifică sunetul din orice direcție pe care o alege utilizatorul să o focalizeze și (2) zoom audio pentru opțiunea de a înregistra ceea ce utilizatorul dorește să audă și să suprime alte sunete.
Note:
Un smartphone are cel puțin 4 microfoane. De exemplu, Apple iPhone 10 are patru microfoane MEMS cu roluri diferite: un microfon superior orientat spre față, două microfoane inferioare orientate spre față și un microfon superior orientat spre spate. Acest aspect este similar cu iPhone-urile anterioare, dar microfonul orientat spre partea de jos-dreapta este acum integrat în modulul de difuzoare. Pentru asigurarea unei fiabilități foarte înalte, microfoanele pot fi dublate, ajungând la 8 microfoane.
Microfonul pentru gură, în partea de jos a telefonului, va capta mai mult vocea + mai puțin înconjurător și un alt microfon în partea de sus față sau altul în spatele telefonului, care vor capta mai puțin vocea + mai mult în jur. Diferențele dintre aceste două sunete vor fi utilizate în procesarea audio pentru a elimina sau reduce zgomotul din jur.
Generații noi de interfață vocală. Comenzile vocale și conversațiile cu asistenții vocali digitali gen Amazon Alexa devin din ce în ce mai populare. Prima variantă necesită deseori comenzi vocale nefiresc de puternice sau chiar strigăte de la distanţă. Companiile din domeniul de recunoaștere a vorbirii își îmbunătățesc procesoarele și algoritmii pentru următoarele generații de interfețe vocale de utilizator. În ultima variantă, Alexa vă poate identifica, acum, vorbind cu voce joasă și să vă răspundă în șoaptă pentru a evita deranjarea membrilor familiei care dorm noaptea. Detalii: What is Alexa? ~ The Assistant
Alexa este un asistent virtual controlat de voce. Ea poate reda sunete, vă poate controla casa inteligentă, vă poate răspunde la întrebări și vă poate angaja serviciile preferate pentru a vă menține organizat, informat, sigur, conectat și distrat. Acest sistem de control vocal a fost lansat de compania Amazon în 2014, alături de boxa Echo. Fiind produs de Amazon, ea este și cumpărătorul vostru personal. Bazat pe Cloud, Alexa se poate conecta printr-un număr tot mai mare de difuzoare inteligente și alte dispozitive compatibile cu Alexa.
TDK
TDK InvenSense ICS-40638 – microfon MEMS analogic. Microfonul ICS-40638 oferă un punct de suprasarcină acustică (AOP) ultra-înalt de 138 dB nivel de presiune sonoră (SPL), consum de putere redusă excepțional (max.170 µA) și un raport semnal/zgomot ridicat (SNR) de 63 dB în capsula 3,5 mm × 2,65 mm × 0,98 mm cu montare la suprafață a portului inferior. Funcționează până la 105°C și este proiectat pentru dispozitive IoT și pentru consumatori. Microfonul ICS-40638 este ideal pentru aplicații portabile și IoT, în special în medii exterioare, industriale sau dure, unde temperaturile ridicate și punctele de suprasarcină acustică ridicate prezintă provocări de proiectare a sistemului.
TDK InvenSense T3902 – microfon MEMS digital. Constă dintr-un element de microfon MEMS și un amplificator convertor de impedanță, urmat de un modulator Sigma‐ Δ de ordinul patru. Ieșirea PDM permite ca două microfoane să fie multiplexate în timp pe o linie de date folosind un singur ceas. Acest model oferă mai multe moduri de funcționare: Performanță ridicată, Putere redusă (AlwaysOn), Standard și Sleep, menținând puterea redusă și SNR 64.5 dB ridicat în toate modurile operaționale. Are 126 dB SPL AOP în modul High Performance și 120 dB SPL AOP în modurile Standard și Low Power. Este optimizat pentru dispozitive mobile, dispozitive purtabile, căști, telecomenzi TV și multe altele, suportă comunicații în câmp îndepărtat, permite captarea audio clară în condiții de zgomot puternic și este ideal pentru recunoașterea vocii.
TDK InvenSense T5818 – microfon MEMS digital. Are 66dBA SNR, 135dB SPL AOP, la 590 µA în modul High Quality (HQM) și scade consumul de energie la 215 µA în modul Low Power (LPM). Acest microfon este esențial pentru captarea intrărilor audio de înaltă calitate – esențial pentru motoarele AI și aplicațiile bazate pe cloud, care necesită o interfață de microfon PDM. Microfoanele actuale cu gamă dinamică și ieșire analogică necesită ADC-uri scumpe pentru a profita de capacitățile acustice complete. T5818 oferă această conversie ADC, menținând în același timp o gamă dinamică excelentă, cu avantajele unui flux de biți PDM cu latență redusă. Acest lucru face ca T5818 să fie potrivit pentru o gamă largă de aplicații, de la telefoane mobile până la căști ANC.
https://product.tdk.com/info/en/products/sw_piezo/mic/mems-mic/technote/tpo/index_mytdk.html
Infineon
Infineon IM69D130 – microfon MEMS digital de înaltă performanță care folosește tehnologia MEMS Dual Backplate de la Infineon pentru a oferi o gamă dinamică de 105 dB și o liniaritate de ieșire ridicată de până la 130 dB SPL. Raport semnal-zgomot de 69 dB (SNR), Distorsiuni sub 1% la 128 dB SPL, Toleranțe de sensibilitate strânsă (-36 ± 1 dB) și fază (± 2 grade), frecvență joasă de tăiere (28 Hz). Avantajele aplicației sunt semnalele audio clare, distanța prelungită de preluare și sensibilitatea atât la semnalele moi, cât și la cele puternice – de la vorbire în șoaptă la concerte rock. Infineon și partenerii săi din ecosistemul de interfață vocală – Creoir, XMOS, Sugr, CEVA, SoundAI și Aaware – oferă referințe inovatoare: platforme și soluții de interfață vocală de ultimă generație gata de utilizat.
https://www.infineon.com/microphone
https://www.infineon.com/cms/en/product/sensor/mems-microphones/im69d130/
STMicroelectronics
STMicroelectronics BlueCoin – urechea robotică
Platforma integrată de dezvoltare prototipuri STEVAL-BCNKT01V1, pentru detectarea acustică și sesizarea mișcării în aplicații IoT, se bazează pe capacitățile de ascultare și echilibrare asemănătoare urechii umane.
Kitul de pornire BlueCoin vă permite să explorați funcțiile avansate de fuziune a senzorilor și procesarea semnalelor în aplicații de robotică și automatizare, cu o matrice de 4 microfoane MEMS digitale, o unitate de înaltă performanță cu un senzor de inerție pe 9 axe și de mediu, plus senzori de proximitate. STM32F446 180 MHz – MCU de înaltă performanță permite implementarea în timp real a algoritmilor de fuziune a senzorilor foarte avansați, cum ar fi adaptarea direcțională și localizarea sursei de sunet, cu blocuri funcționale gata de utilizare, fără costuri.
BlueCoin se poate conecta prin intermediul legăturii BLE la orice IoT și rețea de senzori fără fir a industriei inteligente.
STMicroelectronics IMP34DT05 – microfon MEMS digital ultra-compact, cu putere redusă, omnidirecțional. Elementul de detectare capacitiv este fabricat pe siliciu. Interfața IC are un circuit CMOS ce furnizează un semnal digital extern în format PDM. IMP34DT05 este un microfon digital cu distorsiune redusă, cu un raport semnal/zgomot SNR 64dB și sensibilitate -26dB FS (semnal complet) ±3dB. IMP34DT05 este disponibil într-un pachet cu port superior, compatibil SMD, protejat EMI și funcționează pe o gamă extinsă de temperatură de la -40°C la +85°C.
Aplicații: Monitorizarea vibrațiilor, Funcții activate audio, Întreținere predictivă, Anularea zgomotului, Detectarea sunetului pentru sistemele de alarmă, Interfață voce om/mașină, Dispozitive anti-vanadalism, Sisteme antifurt
STMicroelectronics MP34DT06J – microfon MEMS digital, senzor audio ultra-compact, capsulă HCLGA (3 × 4 × 1.06) mm 4LD, consum redus de putere, omnidirecțional, interfață IC furnizează semnal digital extern în format PDM.
Microfonul MP34DT06J funcționează în gama extinsă de temperatură -40°C … +85°C. Capsulă HCLGA cu port superior, compatibil SMD și ecranat EMI. Aplicațiile tipice includ terminale mobile, laptopuri, playere media portabile, VoIP, recunoașterea vorbirii, dispozitive e-learning A/V, dispozitive de intrare pentru jocuri/realitate virtuală, camere digitale/camere video și sisteme antifurt.
Tutorial for MEMS microphones (st.com)
Notă.
Piața de microfoane MEMS a fost evaluată la 1194 milioane USD în 2020 și se așteaptă să ajungă la 1845,06 milioane USD până în 2026. Producători importanți pe piața de microfoane MEMS cu siliciu (criteriul principal fiind SNR):
- Knowles LLC
- TDK InvenSense, Inc.
- STMicroelectronics; Cirrus Logic, Inc.
- CUI, Inc.
- Infineon Technologies AG
- AAC Technologies
- Goertek
- Vesper Technologies Inc.
https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/mems-microphones-market
Autor: Constantin Savu, Director General, Ecas Electro
ECAS Electro asigură aprovizionarea cu produse TDK, STMicroelectronics, Infineon și alți producători.
Detalii tehnice
Ing. Emil Floroiu
emil@floroiu.ro
birou.vanzari@ecas.ro