Kun järjestelmä sisältää yhden tai useampia mikrofoneja, suunnittelijan täytyy valita, käyttääkö MEMS- vai ECM-rakenteista mikrofonia. Kummallakin on omat etunsa käyttökohteesta riippuen. Audiokomponentteja valmistava CUI tukee kumpaakin tekniikkaa ja tarjoaa suunnittelijoille laajan valikoiman sekä MEMS- että ECM-mikrofoneja.
| Artikkelin kirjoittaja Bruce Rose toimii CUI-yhtiön päätuotteiden sovellusinsinöörinä. |
Ääniviestintä kotikäyttöön tarkoitettujen digitaaliavustajien ja muiden älykkäiden koneiden kanssa on nouseva trendi. Kehitys toimii veturina uusille huipputeknisille tuotteille, jotka kykenevät kuuntelemanomaa ympäristöään, tulkitsemaan sanallisia komentoja sekä keräämään kontekstuaalista dataa ja ympäristötietoja.
Tämän vuoksi uusien MEMS-tyyppisten (Micro-Electro-Mechanical System) mikrofonien markkinat kasvavat nopeasti, mutta MEMS ei ole ainoa tämän sektorin tekninen vaihtoehto. Perinteinen elektreettikalvoon perustuva kondensaattorimikrofoni (ECM) on yhä elinkelpoinen ehdokas moniin sovelluksiin. Kummankin mikrofonityypin vahvuuksien arvioimiseksi on syytä ensin tarkastella niiden toimintaperiaatteita ja rakenteen yksityiskohtia.
MEMS-mikrofonin periaate
MEMS-mikrofonin tyypillinen rakenne (kuva 1) yhdistää MEMS-muunninsirun signaalinkäsittelystä vastaavaan ASIC-piiriin, joka on sijoitettu muuntimen viereen piirilevylle. Rakenteen päälle on asennettu sopivan muotoinen suojakotelo, esimerkiksi metallinen kannu. Jotta ääniaallot pääsevät itse anturiin, tarvitaan myös pieni reikä, joka voidaan työstää joko suojakoteloon tai piirilevyyn riippuen siitä, onko mikrofoni suunnattu ylös- vai alaspäin.
Kuva 1. MEMS-mikrofonin tyypillinen rakenne.
MEMS-muunnin on valmistettu tekemällä piistä mekaaninen kalvo ja sille tukirakenne selektiivisellä syövytysprosessilla. Kun äänenpaine saa kalvon taipumaan, tuloksena syntyvä kapasitanssin muutos muunnetaan sähköiseksi signaaliksi ASIC-piirissä. Piiri sisältää äänen esivahvistimen, jonka analoginen lähtösignaali saadaan suoraan sirulta.
Toisaalta digitaalisessa toimintamuodossa mikrofonin esivahvistimen signaali kytketään AD-muuntimeen ja kooderiin, jotka nekin on integroitu ASIC-piiriin. Pulssintiheysmodulaatio PDM on suosittu digitaalinen koodausmuoto. Sen lisäksi että se helpottaa signaalinkäsittelyä vaatiessaan vain kellosignaalin ja yhden datalinjan, se myös helpottaa vastaanottimessa suoritettavaa dekoodausta. Kuvassa 2 on vertailtu MEMS-mikrofonin käyttöä analogisessa ja digitaalisessa toimintamuodossa.
Kuva 2. Analoginen mikrofonikytkentä (vas.) takaa rakenteen yksinkertaisuuden, digitaalinen kytkentä (oik.) puolestaan tarjoaa etuna mm. hyvän kohinansiedon.
ECM-mikrofonin periaate
Kuva 3 esittää elektreettikalvoon perustuvan kondensaattorimikrofonin tyypillistä rakennetta. Elektreettimateriaalilla on kiinteä pintavaraus ja se on asennettu kalvon muotoisena metallisen aluslevyn ja muovirenkaan väliin. Kalvo on asetettu hyvin lähelle johtavaa levyä, jolloin ne muodostavat yhdessä kondensaattorin, jossa levyjen väliin jäävä ilma toimii dielektrisenä materiaalina. Äänenpaine saa kalvon taipumaan, mikä aiheuttaa muutoksen levyjen väliseen kapasitanssiin. Se taas tuottaa äänen mukaan vaihtelevan jännitteen ΔV = Q / ΔC (jossa Q = kiinteä varaus).
Kuva 3. ECM-mikrofonin tyypillinen rakenne.
Kuvassa 3 näkyvä transistori on tyypiltään liitosfetti eli JFET. Se vahvistaa ja puskuroi äänen mukaan vaihtelevan jännitesignaalin. JFET on tavallisesti asetettu yhteislähde-kytkentään (common source), jolloin ulkoinen kuormitusvastus ja DC-estokondensaattori sijaitsevat ulkopuolisessa sovelluspiirissä, kuten kuvasta 4 nähdään.
Kuva 4. Tyypillinen ECM-mikrofonin sovelluskytkentä.
Ominaisuuksien vertailua
MEMS-mikrofoni tarjoaa useita etuja. Sellainen on esimerkiksi komponentin hyvin pienikokoinen kotelo, joka tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon sovelluksiin, joissa tilaa on niukasti käytettävissä. Koska mukaan on integroitu sekä analogisen että digitaalisen signaalin käsittelypiiri, suunnittelussa päästään merkittäviin säästöihin sekä tarvittavassa piirilevyalassa että materiaalikustannuksissa.
Toinen tärkeä vahvuus on MEMS-mikrofonin suhteellisen alhainen lähtöimpedanssi, joten ulkopuolelta tulevat sähköiset häiriö- ja kohinasignaalit eivät juuri vaikuta digitaalipiirien toimintaan. Tämän ansiosta sitä voidaan käyttää ympäristöissä, joissa esiintyy voimakkaita sähkömagneettisia ja radiotaajuisia häiriökenttiä tai joissa tarvitaan pitkiä johtimia mikrofonin kytkemiseksi. MEMS-mikrofonilla on myös erittäin vahva immuniteetti mekaanisen värähtelyn aiheuttamia häiriöitä vastaan.
Lisäksi nykyiset ASIC-valmistusprosessit varmistavat piirin sähköisten parametrien yhtenevyyden ja erinomaisen lämpövakauden, jolloin suunnittelijat voivat luottaa erittäin yhdenmukaisiin ominaisuuksiin kaikissa sovelluksissa, joissa tarvitaan useita mikrofoneja. MEMS-mikrofoneja on myös helppo käsitellä lopputuotteiden kokoonpanossa, sillä ne soveltuvat pintaliitosprosesseihin ja tavanomaisiin lyijyttömiin reflow-juotoksiin.
Toisaalta ECM-mikrofoneillakin on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä houkuttelevan vaihtoehdon joihinkin sovelluksiin. Yksi niistä on hyvin laaja valikoima sähköisen kytkennän vaihtoehtoja. Valittavissa on nastoja, johtimia, juotostäpliä ja jousikoskettimia sekä lisäksi pintaliitoskontakteja, joiden avulla suunnittelijat voivat halutessaan päästä perinteisestä piirilevyasennuksesta kokonaan eroon. Lisäksi komponentin suurempi fyysinen koko yksinkertaistaa suojaustoimia pölyä ja kosteutta vastaan. CUI:n valmistamien ECM-mikrofonien laajan valikoiman korkeat IP-luokitukset (Ingress Protection) ovat saatavissa yhteenvetona netistä.
Toisen tärkeän edun muodostavat ECM-rakenteen monipuoliset akustiset ominaisuudet. Esimerkiksi yksisuuntaiset ja kohinaa poistavat mikrofonit antavat suunnittelijoille mahdollisuuden hyödyntää epäyhtenäistä tilaherkkyyttä, jolloin voidaan varmistaa vahva immuniteetti taustalla esiintyvää audiokohinaa ja hälyääniä vastaan. ECM-mikrofonilla on yleensä myös varsin laaja käyttöjännitealue, joka takaa luotettavan toiminnan kohteissa, joissa syöttöjännitteen vakavointi on toteutettu löyhästi.
Lisäksi ECM saattaa olla edullinen valinta silloin, kun jo aiemmin valmistettua tuotetta päivitetään. Monet aiemmin valmistetut laitteet sisältävät tämän tyyppisiä mikrofoneja, ja joskus voi olla helppo ratkaisu valita jälleen sama tekniikka – nykyisten entistä laadukkaampien rakenteiden ja materiaalien eduista yleensä samalla hyötyen. Tämä virtaviivaistaa tuotteen uudelleen suunnittelua ja nopeuttaa markkinoille tuomista.
Joustavuutta suunnitteluun
Viime kädessä erilaisten rajoitteiden yhdistelmä on se tekijä, joka määrittää optimaalisen mikrofoninvalinnan mihin tahansa sovellukseen. Laaja valikoima erilaisia MEMS- ja ECM-mikrofoneja tuo suunnittelijoiden kaipaamaa joustavuutta tähän valintaan.
MEMS-tekniikka hallitsee tällä hetkellä markkinoiden kasvutilastoja lukuisten luontaisten etujensa ansiosta, mutta monipuoliset liitäntämahdollisuudet ja akustiset suuntausominaisuudet ovat ECM-mikrofonien kaksi tärkeää vahvuutta, joita suunnittelijat yhä arvostavat päivittäessään jo aiemmin tehtyjä tuotteita tai suunnitellessaan kokonaan uusia. CUI on sitoutunut kumpaankin tekniikkaan ja tulee ylläpitämään erittäin laajaa mikrofonituotteiden valikoimaa tarjotakseen parhaat mahdolliset valintamahdollisuudet asiakkailleen.
Lääkintälaitteiden internet (IoMT) yhdistää diagnostiikan, puettavat anturit ja sairaalalaitteet pilvipohjaisiin järjestelmiin. Etävalvonta, reaaliaikainen data ja koneoppiminen lupaavat parempaa hoidon laatua ja kustannussäästöjä, mutta samalla ratkaistavaksi jäävät yhteentoimivuus, sääntely ja tietoturva.