MEMS Mikrofonun İç Yapısı: Ses Dalgasından Dijital Sinyale

1. Giriş
2. Nasıl Çalışır
3. Donanım Yapısı
4. Bestar'ın Akustik Mühendisliği Yetenekleri
5. Sonuç

giriiş
On yıllarca, elektret kondenser mikrofon (ECM), tüketici ses cihazları konusunda varsayılan çoğaltıcıydı. ECM'ler düşük maliyetli, basit ve işlevseldir. Ancak temel bir sınırlamaları vardır: Analog bileşenler gibi elle üretilirler ve bu nedenle üniteden üniteye tutarsızdırlar, ısıya duyarlıdırlar ve bir cep telefonuna sığacak şekilde küçültülmeleri zordur.
MEMS mikrofonlar Her şey bir kez ve tamamen değişti. MEMS (Mikro Elektro Mekanik Sistemler), işlemci ve bellek üretiminde kullanılan aynı yarı iletken süreçlerle üretilen, aynı silikon çip üzerinde elektronik devrelerin yanı sıra mekanik cihazlar da içeren cihazlardır. Akustik algılamaya uygulandığında bu, geleneksel bir elektromekanik cihazdan ziyade hassas bir yarı iletken cihaz gibi davranan bir mikrofonun üretilebileceği anlamına gelir.
Pratik faydaları çok büyük. Birincisi, MEMS mikrofonlar tutarlılık sağlar; MEMS mikrofonların üretim sürecinde fotolitografi yoluyla silikon levhalar kullanılır, bu nedenle milyonlarca rezonans mikrofon ünitesi arasında hassasiyet ve frekans tepkisi sıkı bir şekilde kontrol edilir. İkincisi, termal kararlılık; MEMS mikrofonlar, geleneksel ECM'lerin tahrip olduğu SMT montaj hatlarının reflow lehimleme sıcaklıklarına dayanıklıdır. Üçüncüsü, MEMS paketleri düzenli olarak 2,5 x 1,8 mm ve daha küçük boyutlarda üretilir; bu da modern tüketici elektroniğiyle özdeşleşen ultra ince akıllı telefonlar, TWS kulaklıklar, akıllı araçlar ve IoT cihazlarını mümkün kılar.
Bu özellikler, MEMS mikrofonlarını ses kalitesi, üretim güvenilirliği veya cihaz minyatürleştirmenin öncelikli olduğu her uygulama için standart haline getirmiştir.

Nasıl Çalışır: Sesi Elektrik Sinyaline Dönüştürme
A MEMS mikrofonu Bu mekanizma, kapasitans değişimine dayalı prensiple çalışır. Bu mekanizmayı anlamak için en basit fizik bilgisine ihtiyaç vardır.
Kondansatör, aralarında bir boşluk bulunan iki iletken plaka arasında elektrik yükünü depolayan bir elektrik depolama cihazıdır. Kapasitans (içine depolanan yük miktarı), plakalar arasındaki mesafeyle ters orantılıdır. Bu mesafe değiştiğinde, kapasitans da değişir. Yüklü bir sistemde kapasitansta bir değişiklik meydana geldiğinde, o sistemdeki voltajda da bir değişiklik olur. Bu voltaj değişikliği, elektrik sinyalini temsil eder.
MEMS mikrofonlarda iki "plaka" diyafram ve arka plakadır. Diyafram, ince ve esnek bir silikon membrandır; arka plakanın arkasında ise birkaç mikron geride sert, delikli bir elektrot bulunur. Ses dalgaları (havadaki basınç dalgası) diyaframa baskı yapar ve esnemesine neden olur. Bu esneme, diyafram ile arka plaka arasındaki boşluğu değiştirir ve bu da kapasitansı değiştirir; işte bu da iletilen ses basıncına karşılık gelen bir voltaj sinyali üretir.
Üretilen sinyal son derece küçüktür, mikrovolt mertebesindedir. Yükseltilmeden ve işlenmeden uzun mesafeler boyunca iletilemez. ASIC'in çalışma prensibi budur.
ASIC (Uygulamaya Özgü Entegre Devre), her MEMS mikrofon paketinde bulunan ikinci silikon çiptir. Üç işlevi yerine getirir. Birincisi, kapasitif elemana (kapasitör boyunca sabit bir elektrik alanı elde etmek için DC seviyesinde polarizasyon voltajı üreten dahili bir devre olan şarj pompası olarak adlandırılır) kararlı bir bias voltajı sağlar. İkincisi, kapasitif elemanın yüksek empedanslı çıkışını, düşük empedanslı sinyalin sinyal zinciri sürüş empedansına dönüştüren bir empedans dönüştürme aracıdır. Üçüncüsü, sinyali yükseltir ve dijital versiyonlarda, onu standart bir sinyal formatına dönüştürür.

Donanım Yapısı: Yarı İletken Sınıfının Mikromekaniği
MEMS Çipi (Algılama Çipi)
Piston, hareket elemanıdır. Genellikle silikondan yapılmış, birkaç mikrometre kalınlığında, dairesel veya dikdörtgen bir zardır; kenarlarından sabitlenir ve ortasından esnemeye serbest bırakılır. Sertliği ve kütlesi, mikrofonun hassasiyetini ve frekans tepki özelliklerini belirler. Daha ince ve daha büyük diyaframlar daha yüksek hassasiyete sahiptir ancak daha az serttir.
Arka plakanın arka yüzeyi sabit elektrottur. Yapısal sağlamlığı sağlamak için yeterince küçük, ancak hava akışını sağlamak için yeterince büyük bir dizi akustik delik ile delinmiştir; bu deliklerden viskoz direnç diyaframın hareketini engellemez. Diyafram ile arka plaka arasındaki boşluk normalde 1-4 mikrometredir. Bu boyutun üretim süreci boyunca korunması, MEMS akustik cihazlarının üretiminde karşılaşılan sorunlardan biridir.
Sinyal İşleme Çipi (ASIC Çipi)
ASIC, empedans dönüşümü, ön yükseltme ve analogdan dijitale dönüştürme işlemlerini gerçekleştirir. Analog çıkış cihazlarında, sabit kazançlı tek veya diferansiyel bir voltaj sinyali sağlar. Dijital çıkış cihazlarında ise, analog sinyali PDM (Darbe Yoğunluğu Modülasyonu) veya I²S bit akışına dönüştüren SD modülatörünü içerir.
Ambalaj ve Akustik Boşluğu
İki çip (MEMS ve ASIC), genellikle metal kapaklı LCC muhafaza veya plastik LGA tipi muhafaza olan yüzeye monte bir paketin içine yerleştirilir. Akustik port ya paketin altındadır (alt port) ya da üst porttur.
Alttan girişli mikrofonlar, akustik açıklığı alttaki PCB üzerindeki bir delikle hizalar ve sesi PCB'nin altından alır. Üstten girişli mikrofonlar ise bileşen tarafına doğru açılır ve sesi yukarıdan alır. Seçim, kullanılan muhafazanın geometrisine, akustik yalıtım gereksinimine ve hedef ses kaynağının yönüne bağlıdır.
Diyaframın her iki tarafındaki boşluklar olan ön boşluk hacminin arka boşluk hacmine oranı, hassasiyet ve düşük frekans tepkisi üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Ve daha büyük bir ön boşluk genellikle düşük frekans uzantısını iyileştirir.

Bestar'ın Akustik Mühendisliği Yetenekleri
En iyisi Akustik araştırmalara ve yarı iletken seviyesindeki süreç kontrolüne yaptığı sürekli yatırımlar sayesinde MEMS mikrofon portföyünü geliştirdi. Bileşen tedarik etmenin ötesinde, En iyisi Çözümler de sunabiliriz.

Çözüm
MEMS mikrofonu son derece dikkat çekici bir cihazdır. Bu cihaz, hava basıncındaki değişimleri (sesi) olağanüstü bir doğrulukla elektriksel bilgiye dönüştürerek bilgisayara geri iletir ve bu işlem bir pirinç tanesinden daha küçük bir pakette gerçekleşir.
Bu, akustik fiziği ve yarı iletken üretiminin birleşmesi sayesinde mümkün oldu. Değişken kapasitör prensibi yüz yıldan fazla süredir biliniyor. Değişen şey, diyafram, arka plaka ve boşluk dahil olmak üzere bu kapasitörü, mikro akım hassasiyetini içermeyen bir maliyetle üretebilmek oldu.
Daha ileriki aşamalarda, mikrovat düzeyinde güç tüketen, sürekli açık olan ve yalnızca belirli bir anahtar kelime alındığında cihazı uyandıran mikrofonlar öne çıkıyor. Yapay zeka destekli ses işleme mikroservisleri heyecan verici görünüyor. Bu, ASIC'lerin düşük güç tüketimli tasarımında ve sensör füzyonunda daha gelişmiş teknolojiler gerektiriyor. MEMS mikrofonlar bu geçiş için oldukça uygun konumda; verimlilikleri ve birleştirme yoğunlukları, onları ses odaklı cihazların bir sonraki çalışma biçiminin doğal temeli haline getiriyor.
İster hazır bir bileşen sipariş etmek isteyin, ister herhangi bir akustik sistem kurulumu konusunda tavsiye almak isteyin, lütfen temas etmek En iyisi, En iyisi Projenizin ilk aşamalarından üretim hazırlığına kadar olan süreçte size yardımcı olmak için buradayız.