Di dalam Mikrofon MEMS: Daripada Gelombang Bunyi kepada Isyarat Digital

1. Pengenalan
2. Cara Ia Berfungsi
3. Struktur Perkakasan
4. Keupayaan Kejuruteraan Akustik Bestar
5. Kesimpulan

Pengenalan
Selama beberapa dekad, mikrofon kondenser elektret (ECM) merupakan replikator lalai untuk subjek audio pengguna. ECM berkos rendah, mudah dan berfungsi. Tetapi ia mempunyai batasan asas, ia dibina seperti komponen analog dengan tangan, dan oleh itu ia tidak konsisten dari unit ke unit, sensitif terhadap haba, dan sukar untuk dikecilkan menjadi telefon bimbit.
Mikrofon MEMS diubah sekali dan untuk selama-lamanya. MEMS (Sistem Mikro Elektro Mekanikal) ialah peranti yang menampilkan peranti mekanikal selain litar elektronik pada cip silikon yang sama, yang dihasilkan oleh proses semikonduktor yang sama yang digunakan dalam membuat pemproses dan memori. Digunakan untuk penderiaan akustik, ini bermakna mikrofon boleh dibuat yang bertindak kurang seperti elektromekanikal tradisional dan lebih seperti peranti semikonduktor jitu.
Manfaat praktikalnya sangat besar. Pertama, mikrofon MEMS mempunyai konsistensi, mikrofon MEMS yang membuat proses menggunakan wafer silikon melalui fotolitografi, jadi antara berjuta-juta unit mikrofon resonan, kepekaan dan tindak balas frekuensi dikawal ketat. Kedua, kestabilan terma, mikrofon MEMS menskalakan suhu pematerian aliran balik barisan pemasangan SMT, suhu di mana ECM konvensional dimusnahkan. Ketiga, pakej MEMS secara berkala berukuran 2.5 x 1.8mm dan lebih kecil yang memungkinkan fon telinga TWS telefon pintar ultra nipis, kenderaan pintar dan peranti IoT yang sinonim dengan elektronik pengguna moden.
Ciri-ciri ini telah menjadikan mikrofon MEMS standard untuk sebarang aplikasi yang mengutamakan kualiti audio, kebolehpercayaan pembuatan atau pengecilan peranti.

Cara Ia Berfungsi: Menukar Bunyi kepada Isyarat Elektrik
A Mikrofon MEMS berfungsi mengikut prinsip variasi kapasitans. Untuk memahami mekanisme ini, seseorang hanya memerlukan fizik yang paling mudah.
Kapasitor ialah stor elektrik yang menyimpan cas elektrik di antara dua plat konduktif yang dipisahkan oleh jurang. Kapasitans (jumlah cas yang dimasukkan ke dalamnya) adalah berkadar songsang dengan jarak antara plat. Apabila jarak itu berubah, kapasitans juga berubah. Apabila perubahan kapasitans berlaku dalam sistem yang dicas, terdapat juga perubahan voltan dalam sistem tersebut. Perubahan voltan itu mewakili isyarat elektrik.
Dalam kes mikrofon MEMS, dua "plat" tersebut ialah diafragma dan plat belakang. Diafragma ialah membran silikon yang nipis dan fleksibel, yang terletak di bahagian belakang plat belakang ialah elektrod tegar berlubang beberapa mikron di belakangnya. Gelombang bunyi (gelombang tekanan di udara) menolak diafragma dan menyebabkannya melentur. Lenturan itu mengubah jurang antara diafragma dan plat belakang, dan ini mengubah kapasitans, dan ia itulah yang menghasilkan isyarat voltan yang sepadan dengan tekanan bunyi yang dihantar ke sana.
Isyarat yang dijana adalah sangat kecil, dalam susunan mikrovolt. Ia tidak boleh melalui jarak jauh tanpa dikuatkan dan dikondisikan. Inilah cara kerja ASIC.
ASIC (Litar Bersepadu Khusus Aplikasi) ialah cip silikon kedua yang terdapat dalam setiap pakej mikrofon MEMS. Ia melaksanakan tiga fungsi. Pertama, ia membekalkan voltan bias yang stabil kepada elemen kapasitif (dipanggil pam cas, litar dalaman yang menjana voltan pengkutuban tahap DC, untuk mencapai medan elektrik yang malar merentasi kapasitor). Kedua, ia merupakan cara penukaran impedans, yang mengubah output impedans tinggi elemen kapasitif kepada impedans pemacu rantai isyarat bagi isyarat impedans rendah. Ketiga, ia menguatkan dan dalam versi digital, mengambilnya dan meletakkannya dalam format isyarat standard.

Struktur Perkakasan: Mikromekanik Gred Semikonduktor
Cip MEMS (Cip Pengesan)
Omboh merupakan elemen pergerakan. Ia biasanya merupakan membran bulat atau segi empat tepat yang diperbuat daripada silikon, setebal beberapa mikrometer, yang berlabuh di tepinya dan dibiarkan bebas untuk melentur dari tengah. Ia mempunyai kekakuan dan jisim, yang menentukan ciri-ciri kepekaan dan tindak balas frekuensi mikrofon. Diafragma yang lebih nipis dan besar mempunyai kepekaan yang lebih tinggi tetapi mempunyai ketegaran yang kurang.
Permukaan belakang pada plat belakang ialah elektrod pegun. Ia ditembusi dengan pelbagai lubang akustik, cukup kecil untuk memastikan ketegaran struktur tetapi cukup besar untuk memastikan aliran udara, yang mana tiada rintangan likat yang menghalang diafragma daripada bergerak. Jurang antara diafragma dan plat belakang biasanya 1-4 mikrometer. Mengekalkan dimensi ini sepanjang proses pengeluaran adalah salah satu isu pembuatan peranti akustik MEMS.
Cip Pemprosesan Isyarat (Cip ASIC)
ASIC melakukan transformasi impedans, pra-amplifikasi & penukaran analog kepada digital. Bagi peranti output analog, ia menyediakan isyarat voltan, sama ada tunggal atau pembezaan dengan gandaan tetap. Dalam peranti output digital, ia mengandungi modulator SD yang menukar isyarat analog kepada PDM (Pulse Density Modulation) atau strim bit I²S.
Pembungkusan & Akustik Rongga
Kedua-dua cip (MEMS dan ASIC) dipasang di dalam pakej pelekap permukaan, biasanya perumah LCC bertutup logam atau perumah jenis LGA plastik. Port akustik berada sama ada di bahagian bawah pakej (port bawah) atau port atas.
Mikrofon port bawah menyelaraskan bukaan akustik dengan lubang pada PCB di bawah dan menarik bunyi dari bawah PCB. Mikrofon port atas dibuka ke bahagian komponen dan menerima bunyinya dari atas. Pilihannya bergantung pada geometri penutup yang digunakan, keperluan pengedap akustik dan arah sumber bunyi sasaran.
Nisbah isipadu rongga hadapan kepada isipadu rongga belakang (ruang di kedua-dua belah diafragma) mempunyai kesan langsung terhadap sensitiviti dan tindak balas frekuensi rendah. Dan rongga hadapan yang lebih besar secara amnya akan meningkatkan pemanjangan frekuensi rendah.

Keupayaan Kejuruteraan Akustik Bestar
Yang terbaik telah membangunkan portfolio mikrofon MEMSnya melalui pelaburan berterusan dalam penyelidikan akustik dan kawalan proses peringkat semikonduktor. Selain membekalkan komponen, Yang terbaik juga boleh memberikan penyelesaian.

Kesimpulan
Mikrofon MEMS merupakan peranti yang sangat luar biasa. Mikrofon ini mengubah variasi tekanan udara (bunyi) kepada maklumat elektrik dengan ketepatan yang luar biasa kembali ke komputer, dalam bungkusan yang lebih kecil daripada sebutir beras.
Ini mungkin kerana fizik akustik dan kilang semikonduktor telah bertemu. Prinsip kapasitor boleh ubah telah diketahui lebih daripada seratus tahun. Apa yang berubah ialah keupayaan untuk melakukan kapasitor itu, termasuk diafragma, plat belakang, jurang dengan kos yang tidak termasuk tahap ketepatan mikro-arus.
Jika dilihat lebih jauh ke hadapan, mikrofonlah yang menggunakan kuasa mikrowatt, sentiasa dihidupkan dan mengaktifkan peranti hanya apabila kata kunci tertentu diterima. Perkhidmatan mikro pemprosesan suara atas AI kelihatan menarik. Ini memerlukan teknologi yang lebih canggih dalam reka bentuk ASIC berkuasa rendah dan dalam gabungan sensor. Mikrofon MEMS berada pada kedudukan yang baik untuk peralihan ini, kecekapan dan ketumpatan gabungannya menjadikannya asas semula jadi fungsi gajet suara pertama yang seterusnya.
Sama ada anda menempah komponen sedia ada atau ingin menerima nasihat tentang sebarang jenis persediaan sistem akustik, sila hubungi Yang terbaik, Yang terbaik sedia membantu projek anda daripada spesifikasi awal hinggalah kepada kesediaan pengeluaran.