Jste zde

Porovnání technologie mikrofonů: MEMS vs ECM

Počet zařízení, které využívají mikrofony pro přesné zachycení téměř jakéhokoliv zvuku rapidně roste. Dvě z nejpoužívanějších technologií v konstrukci mikrofonů jsou mikro-elektro-mechanické systémy (MEMS) a elektretové kondenzátorové mikrofony (ECM). Tento článek se bude zabývat základy obou technologií, porovná jejich rozdíly a odhalí jejich výhody v konkrétních aplikacích.

MEMS mikrofony

Obecně lze říci, že existují dva typy MEMS mikrofonů, které se liší v umístění vstupního portu mikrofonu. Bud je vstupní port umístěn na horní (top-port) nebo na spodní (bottom-port) straně mikrofonu. Vstupní port na spodní straně vyžaduje vyvrtaný otvor v desce plošného spoje. Tloušťka desky ovlivňuje objem přední komory. To má za následek degradaci odezvy mikrofonu. Mikrofony s dolními porty navíc mají kolem otvoru prstencovou kovovou podložku. Je zapotřebí velmi pečlivý proces pájení, aby se zabránilo vnikání prachu nebo pájecí pasty do zvukového portu a poškození MEMS membrány. Zda má být použit horní nebo dolní portový mikrofon se obvykle rozhoduje dle umístění mikrofonu v zařízení. Dalším faktorem může být také výkon, jelikož mikrofony s horním portem dosahují obvykle nižší citlivosti.

.

Obrázek 1: Typická konstrukce mikrofonu MEMS. (Zdroj obrázku: CUI Inc.)

Membrána MEMS tvoří kondenzátor a vlny akustického tlaku způsobují pohyb membrány. Mikrofony MEMS obecně obsahují druhou polovodičovou matrici, která funguje jako předzesilovač zvuku a převádí měnící se kapacitu MEMS na elektrický signál. Tam, kde je preferován analogový výstupní signál, může být výstup audio předzesilovače poskytován přímo uživateli. Pokud je však vyžadován digitální výstupní signál, je na analogový výstup připojen analogově-digitální převodník (ADC). Modulace pulzní hustoty (PDM) je konvenční formát používaný pro digitální kódování v mikrofonech MEMS a umožňuje komunikaci po jedné signální cestě a hodinami. Dekódování digitálního signálu v přijímači je usnadněno díky jedno-bitovému kódování dat.

Obrázek 2: Vlevo: aplikační schéma analogového mikrofonu MEMS. Vpravo: aplikační schéma digitálního MEMS mikrofonu (Zdroj obrázku: CUI Inc.)

Elektretové kondenzátory (ECM)

Konstrukce Elektretového kondenzátorového mikrofony (ECM) je zobrazena na obrázku 3.

Obrázek 3: Základní konstrukce elektretového kondenzátorového mikrofonu (Zdroj obrázku: CUI Inc.)

V ECM je elektretová membrána materiál s pevným povrchovým nábojem, který je umístěn v blízkosti vodivé desky, a podobně jako u mikrofonu MEMS je vytvořen kondenzátor se vzduchovou mezerou tvořící dielektrikum. Vlny akustického tlaku pohybují elektretovou membránou a způsobují změnu hodnoty kapacity, což způsobuje změnu napětí na kondenzátoru, ΔV = Q / ΔC (Q = pevný náboj). Tyto změny napětí kondenzátoru jsou zesíleny a vyrovnávány pomocí JFET tranzistoru uvnitř mikrofonu. Obvyklé zapojení JFET tranzistoru je na obrázku 4.

Obrázek 4: Aplikační schéma ECM (Zdroj obrázku: CUI Inc.)

Výhody a kompromisy

Při volbě mezi mikrofonem ECM nebo MEMS je třeba vzít v úvahu řadu faktorů. Mnoho výhod, které nabízí novější technologie mikrofonu MEMS, se odráží v jeho rychle se rozšiřujícím podílu na trhu.  Například ti, kteří hledají řešení v aplikacích, kde mají omezený prostor, se budou přiklánět technologii MEMS, jelikož tyto mikrofony mají miniaturní rozměry. V pouzdře jsou rovněž integrovány analogové i digitální obvody, čímž snižují potřebnou plochu na PCB.

Poměrně nízká výstupní impedance analogových mikrofonů MEMS jsou ideální pro aplikace v hlučných prostředích. Použitím MEMS mikrofonů v prostředí s vysokými vibracemi snížíme úroveň nežádoucího hluku způsobeného mechanickými vibracemi. Přidáním audio předzesilovačů získáme mikrofon s úzkou charakteristikou, který je stabilní vůči teplotě, což je vhodné pro aplikace s více mikrofony. Obrovskou výhodu MEMS mikrofonů je to, že je lze po osazení pájet technologií relfow (přetavením).

Navzdory vzestupu mikrofonů MEMS zůstávají elektretové kondenzátorové mikrofony možností pro specifické aplikace. ECM také dávají konstruktérům přidanou flexibilitu montáže (vodiče, piny, pájecí plošky, SMT a pružinové kontakty). Tam, kde je problém s prachem a vlhkostí, je snadno dostupné řešení v podobě mikrofonu ECM s vysokým stupněm krytí (IP). V aplikacích, které vyžadují nerovnoměrnou prostorovou citlivost, existují produkty ECM s jednosměrnou nebo směrově orientovanou odolností vůči šumu. Jejich široké provozní napětí může být také ideální pro aplikace s volně regulovanými napěťovými hladinami.

Výběr správného mikrofonu

V neposlední řadě závisí výběr technologie mikrofonu na omezeních vašeho projektu. I když není žádným tajemstvím, že MEMS mikrofony nadále rostou v popularitě, ECM mikrofony stále naleznou uplatnění v celé řadě aplikací z důvodu rozmanitosti pouzder a směrovosti. Nicméně výrobce CUI i nadále vyvíjí a nabízí širokou škálu mikrofonních produktů, což vám dává větší flexibilitu.

Článek vyšel v originále " MEMS versus ECM: Comparing Microphone Technologies"  na webu DigiKey.com, autorem je Bruce Rose

Hodnocení článku: 

Komentáře

To je fajn vědět, že už jsou mikrofony s IP67. Jsou sice dražší, ale zato bude po problémech s poruchami kvůli zatečení vody.