MEMS-микрофоны: как получить оптимальные акустические параметры

В статье, по сути являющейся пособием по работе с МЭМС-микрофонами, рассказывается о механических, конструктивных и акустических характеристиках МЭМС-микрофонов, а также приводится портфолио МЭМС-микрофонов производства компании компании STMicroelectronics
8967
В избранное

В статье, по сути являющейся пособием по работе с МЭМС-микрофонами, рассказывается о механических, конструктивных и акустических характеристиках МЭМС-микрофонов, а также приводится портфолио МЭМС-микрофонов производства компании компании STMicroelectronics.

МЭМС-микрофоны предназначены для аудиоприложений, в которых от микрофонов в первую очередь требуются малые габариты, высокое качество звука, надежность и доступность.

Компания STMicroelectronics самостоятельно проектирует, разрабатывает и производит МЭМС-микрофоны, таким образом создавая уникальную для данной отрасли вертикально интегрированную цепочку поставок. Компания предлагает цифровые и аналоговые МЭМС-микрофоны с верхним и нижним расположениями порта.

МЭМС-микрофоны производства ST обладают лучшими в своем классе показателями, что делает их оптимальным выбором для приложений, которые требуют большого динамического диапазона и высокого качества звука при работе в различных средах. Высокая степень согласования чувствительности позволяет оптимизировать направленность и шумоподавление для многомикрофонных массивов. Малое значение потребления МЭМС-микрофонов обеспечивает длительный срок службы батарей.

Механические и конструктивные характеристики

МЭМС-микрофон состоит из двух базовых компонентов: интегральной схемы (ASIC) и МЭМС-сенсора (рис. 1). Интеграция этих компонентов в общем корпусе выполняется с использованием фирменных технологий ST.

Внутренняя конструкция МЭМС-микрофона

Рис. 1. Внутренняя конструкция МЭМС-микрофона

Сенсор выполняется по МЭМС-технологии и, по сути, представляет собой кремниевый конденсатор. Этот конденсатор состоит из двух кремниевых пластин (рисунок 2). Одна из пластин является неподвижной, в то время как другая (мембрана) может менять свое положение. На рисунке 2 неподвижная пластина показана зеленым цветом, а подвижная – серым. На поверхности неподвижной пластины размещен проводящий металлизированный электрод и, кроме того, в самой пластине имеются множественные отверстия, которые необходимы для пропускания звука. Подвижная пластина закреплена только с одного края, что позволяет ей колебаться. Вентиляционное отверстие необходимо для отвода сжатого воздуха из камеры, расположенной под подвижной пластиной. Благодаря этому воздуху пластина может возвращаться в исходное положение. Камера вместе с корпусом определяет частотные характеристики и соотношение «сигнал/шум» (SNR) микрофона.

Механические характеристики МЭМС-элемента

Рис. 2. Механические характеристики МЭМС-элемента

Таким образом МЭМС-датчик микрофона представляет собой переменный воздушный конденсатор, емкость которого зависит от расстояния между мембраной и неподвижной пластиной. При воздействии внешних звуковых волн мембрана колеблется, тем самым изменяя емкость МЭМС-сенсора (рис. 3).

Принцип изменения емкости

Рис. 3. Принцип изменения емкости 

Интегральная ASIC-микросхема преобразует емкость МЭМС-сенсора в выходной аналоговый или цифровой сигнал, в соответствии с типом микрофона. В случае с цифровым выходом обычно используется модуляция плотности импульсов (Pulse Density Modulation, PDM).

Звуковое окно, необходимое для воздействия акустических волн на чувствительный элемент, может располагаться на верхней или нижней поверхности корпуса. Таким образом различают МЭМС-микрофоны с верхним или нижним портом. При производстве микрофонов ST использует не только проверенные отраслевые технологии, но и уникальные решения. В частности, компания создала инновационные корпусные исполнения, позволяющие улучшить характеристик микрофонов. Рассмотрим особенности этих корпусов.

Корпус 4х5 применяется в цифровых микрофонах MP45DT02-M. В данном случае используется традиционная технология корпусирования с верхним расположением порта (рис. 4). Микросхема ASIC размещается непосредственно под портом. Для защиты от света ASIC покрывают компаундом. МЭМС-датчик расположен рядом с ASIC. Оба кристалла прикреплены к подложке, а контактные площадки устройства находятся на нижней стороне корпуса. В такой конструкции есть две воздушные камеры. Передняя резонансная камера образована корпусом и мембраной, а задняя расположена под мембраной. Такая конструкция позволяет защитить МЭМС-сенсор от пыли и частиц, попадающих внутрь корпуса. Недостатком конструкции является низкое соотношение «сигнал-шум» и наличие пика в слышимой части частотной характеристики микрофона.

Корпус 4x5 мм

Рис. 4. Корпус 4x5 мм

Корпус 3x4 используется в цифровых микрофонах как с нижним, так и с верхним расположением портов: MP34DB02 и MP34DT01-M, MP34DT04/-C1 и MP34DT05. Рассмотрим сначала конструкцию микрофона с нижним расположением порта (рис. 5). В данном случае ASIC и МЭМС-датчик закреплены на подложке, а контактные площадки устройства находятся на нижней стороне корпуса. Порт расположен непосредственно под МЭМС-сенсором и образован отверстием, выполненным прямо в подложке. В этой конфигурации передняя камера образована полостью МЭМС-датчика, а задняя камера ограничена корпусом. Данная конструкция обеспечивает оптимальные акустические характеристики микрофона с точки зрения соотношения «сигнал/шум», а также позволяет получить равномерную частотную характеристику во всем звуковом диапазоне. Главным недостатком такой конструкции становятся изменения характеристик после монтажа микрофона. Обычно микрофоны с нижним расположением порта распаиваются на печатной плате. Толщина платы напрямую влияет на характеристики передней воздушной камеры, из-за чего частотная характеристика перестает быть плоской (подробнее об этом можно прочесть в руководстве AN4427). Чтобы свести к минимуму артефакты печатной платы, рекомендуется использовать плату гибкого типа. Кроме того, микрофоны с нижним портом имеют кольцевую металлическую накладку вокруг отверстия. Чтобы избежать попадания пыли или паяльной пасты в звуковой порт, что приведет к повреждению МЭМС-мембраны, нужно соблюдать повышенную осторожность в процессе пайки.

 Металлический корпус 3x4 мм с нижним расположением порта

Рис. 5. Металлический корпус 3x4 мм с нижним расположением порта

Конструкция микрофона с корпусом 3х4 и верхним расположением порта по сути является зеркальным отражением конструкции с нижним портом (рис. 6). ASIC и сенсор расположены в непосредственной близости друг от друга. Датчик находится под входом для звука. При этом ASIC и МЭМС-сенсор прикреплены к верхней части корпуса, а не к подложке. Внешние контакты по-прежнему размещаются на нижней части корпуса. Данная конструкция запатентована компанией ST. Она позволяет объединить все преимущества микрофонов с нижним портом (максимальный SNR и плоская частотная характеристика) и все преимущества микрофонов с верхним портом (простота монтажа).

 Корпус 3x4 мм с верхним расположением порта

Рис. 6. Корпус 3x4 мм с верхним расположением порта

В номенклатуре ST также представлены модели МЭМС-микрофонов с компактным корпусом 2,5x3,35 мм, который для простоты обозначается как корпус 2x3 мм (рисунок 7). Этот корпус используется в микрофонах с нижним расположением порта и с такой же конструкцией, что и у микрофонов с корпусом 3x4. Примерами микрофонов с корпусом 2x3 являются аналоговые дифференциальные микрофоны MP23AB01DM/DH и аналоговый микрофон MP23AB02B. Благодаря нижнему расположению порта, аналоговый дифференциальный микрофон MP23AB01DH является лучшим микрофоном ST с точки зрения SNR и AOP.

Корпус 2x3 мм с нижним расположением порта

Рис. 7. Корпус 2x3 мм с нижним расположением порта

Для защиты МЭМС-микрофонов с пластиковым корпусом от помех используют специальный встроенный экран, который действует как клетка Фарадея. Конструкция пластиковых МЭМС-микрофонов производства ST представлена на рис. 8.

Экран в виде клетки Фарадея в МЭМС-микрофонах от ST

Рис. 8. Экран в виде клетки Фарадея в МЭМС-микрофонах от ST

На рис. 9 показана диаграмма распределения внешнего электрического поля внутри и снаружи микрофона, полученная при выполнении моделирования помехоустойчивости микрофона. Из этой диаграммы видно, что клетка Фарадея способна значительно ослабить поле внутри микрофона.

Диаграмма распределения внешнего электрического поля внутри и снаружи микрофона при выполнении моделирования помехоустойчивости

Рис. 9. Диаграмма распределения внешнего электрического поля внутри и снаружи микрофона при выполнении моделирования помехоустойчивости

В дополнение к моделированию, в ST проводят специальный тест для оценки помехоустойчивости микрофонов, который называется «Устойчивость микрофона к помехам ЭМС» (“Microphone durability to EMC disturbances”).

Микрофоны подвергаются воздействию радиочастотных помех в составе испытательной установки, изображенной на рис. 10.

Схема тестирования ЭМС

Рис. 10. Схема тестирования ЭМС

По сути, тест заключается в проверке работы микрофона, размещенного под антенной, которая излучает сигнал помехи 1 кГц с амплитудной модуляцией в диапазоне 0,8…3 ГГц. Амплитуда ВЧ-сигнала выбирается в зависимости от диапазона частот следующим образом (рис. 11):

  • +33 дБм в диапазоне 0,8…2,4;
  • +17 дБм в диапазоне 2,4…3,0;

Радиочастотный тестовый сигнал с синусоидальной огибающей

Рис. 11. Радиочастотный тестовый сигнал с синусоидальной огибающей

Несущая помехи имеет частоту 1 кГц, а значит, находится в слышимом звуковом диапазоне. Устойчивость микрофона к радиочастотным помехам оценивается путем измерения выходного отклика микрофона на эту помеху. На рис. 12 показаны пиковые значения на выходе при воздействии несущей 1 кГц и различной частоте модуляции при испытаниях микрофона MP34DT04.

Результаты испытаний помехоустойчивости микрофона MP34DT04

Рис. 12. Результаты испытаний помехоустойчивости микрофона MP34DT04

Параллельно с воздействием синусоидальной несущей микрофоны поверяются на устойчивость к пачкам ВЧ-импульсов 217 Гц (рис. 13, 14):

  • мощность - +33 дБм;
  • несущая частота - 700 МГц…2,5 ГГц;
  • частота пакетов GSM - 217 Гц.

Тестовый сигнал помехи 217 Гц

Рис. 13. Тестовый сигнал помехи 217 Гц

Помехоустойчивость аналоговых дифференциальных микрофонов

Рис. 14. Помехоустойчивость аналоговых дифференциальных микрофонов

Акустические параметры

Чувствительность

Чувствительность определяется отношением электрического сигнала на выходе микрофона к опорному входному акустическому давлению. Опорное акустическое давление составляет 1 Па или 94 дБSPL при 1 кГц (sound Pressure Level, SPL). Уровень звукового давления, выраженный в децибелах, дБSPL = 20 * Log (P/Po), где Po = 20 мкПа – порог слышимости. 20 * Log (1 Па/20 мкПа) = 94 дБSPL.

  • Для аналоговых микрофонов чувствительность выражается в мВ RMS/Паили дБВ / Па.
  • Для цифровых микрофонов чувствительность выражается в дБFS (FS – Full Scale).

Важно понимать, что дБВ ≠ дБFS. Неправильно сравнивать разные единицы. Как указано в приведенных выше уравнениях, дБВ определяется относительно 1 В RMS, а дБFS определяется отношением к полной шкале.

Направленность

Направленность характеризует зависимость чувствительности микрофона от направления звука. МЭМС-микрофоны производства ST являются всенаправленными. Это означает, что для них направление звука не влияет на чувствительность. Направленность обычно представляют либо в виде графика в декартовых координатах, либо в виде соответствующей диаграммы, построенной в полярных координатах, как показано на рис. 15.

Диаграммы направленности для всенаправленного микрофона

Рис. 15. Диаграммы направленности для всенаправленного микрофона

Соотношение «сигнал/шум», или SNR

Отношение «сигнал/шум» (Signal-to-Noise Ratio, SNR) определяет отношение между опорным сигналом и остаточным шумом на выходе микрофона. Опорный сигнал – это стандартный сигнал на выходе микрофона при воздействии звукового давления 1 Па при 1 кГц (чувствительность микрофона). Шумовой сигнал (остаточный шум) – это выходной сигнал микрофона, генерируемый в тишине.

SNR характеризует шум, вносимый как МЭМС-датчиком, так и ASIC. Разумеется, основной вклад в общий шум вносит МЭМС-датчик, а вклад интегральной схемы можно считать незначительным. Как правило, уровень шума измеряется в безэховой среде с использованием весового А-фильтра (A-weighting). A-фильтр соответствует частотной характеристике человеческого уха (рисунок 16).

Частотный отклик А-фильтра

Рис. 16. Частотный отклик А-фильтра 

Динамический диапазон и точка акустической перегрузки

Динамический диапазон – это разница между минимальным и максимальным выходными сигналами, которые способен генерировать микрофон.

  • Минимальный сигнал – это наименьший аудиосигнал, который отчетливо выделяется на уровне шума. Другими словами, минимальный сигнал эквивалентен остаточному шуму.
  • Максимальный аудиосигнал – это выходной сигнал, который микрофон может генерировать без искажений. Этот сигнал также называется акустической точкой перегрузки (Acoustic Overload Point, AOP). Фактически, в точке акустической перегрузки допускается искажение сигнала 10%.

Приведенный входной шум

Микрофон – это преобразователь, который преобразует звук в электрический сигнал. Таким образом, любому входному звуковому сигналу соответствует электрический сигнал на выходе микрофона. Эквивалентный входной шум (EIN) – это входное акустическое давление (выраженное в дБSPL), которое соответствует остаточному шуму на выходе микрофона.

Например, для цифрового микрофона с чувствительностью -26 дБFS и SNR 63 дБ остаточный шум = -26 - 63 = -89 дБFS, это значение, приведенное к акустическим величинам, составит: EIN = 94 - 63 = 31 дБSPL.

На рис. 17 и 18 представлены соотношения между акустическими и электрическими параметрами. На рисунке 17 представлены акустические и электрические соотношения для аналоговых микрофонов, а на рисунке 18 – для цифровых.

Акустические и электрические соотношения для аналоговых микрофонов

Рис. 17. Акустические и электрические соотношения для аналоговых микрофонов

Акустические и электрические соотношения для цифровых микрофоно

Рис. 18. Акустические и электрические соотношения для цифровых микрофонов

Частотная характеристика

Частотная характеристика микрофона характеризует изменение чувствительности в звуковом частотном диапазоне. Этот параметр также описывает отклонение выходного сигнала от 0 дБ. Как правило, данная характеристика строится для опорного сигнала 0 дБ = 94 дБSPL при 1 кГц. Частотная характеристика микрофона в аудиодиапазоне зависит от трех параметров: вентиляционного отверстия, геометрии передней воздушной камеры и геометрии задней воздушной камеры. Вентиляционное отверстие и геометрия задней камеры влияют на поведение микрофона на низких частотах, в то время как поведение на высоких частотах зависит только от геометрии передней камеры. Микрофон может иметь пик на частотной характеристике, вызванный эффектом резонанса Гельмгольца. Этот резонанс является следствием воздушного резонанса в передней воздушной камере. Частота резонанса зависит от размера передней камеры микрофона. Микрофон с плоской частотной характеристикой подходит для приложений, в которых требуется естественный звук и высокая разборчивость системы. На рисунке 19 показана частотная характеристика цифрового микрофона MP45DT02-M. Она имеет спад на низких частотах и пик на частоте около 18 кГц. Данный пик возникает из-за большой передней камеры этого микрофона.

Частотная характеристика MP45DT02-M

Рис. 19. Частотная характеристика MP45DT02-M

Фазовая характеристика микрофона указывает на фазовые искажения, вносимые микрофоном. Говоря простым языком, речь идет о задержке между звуковой волной, воздействующей на мембрану микрофона, и электрическим сигналом на выходе микрофона. Данная задержка вносится как МЭМС-датчиком, так и микросхемой ASIC.

Коэффициент гармонических искажений THD

Коэффициент гармонических искажений THD характеризует искажения выходного электрического сигнала микрофона при наличии неискаженного акустического сигнала на входе. THD + N выражается как отношение суммы мощностей заданного числа гармоник и мощности шума к мощности неискаженного сигнала (опорный сигнал) и вычисляется по формуле 1:

formula1_MEMS.png (2 KB)

Обычно ST указывает THD + N для диапазона частот 50 Гц…4 кГц для данного неискаженного сигнала 1 кГц при 100 дБSPL.

PSRR и PSR

Коэффициент подавления нестабильности питания (PSRR) определяет способность ASIC подавлять шумы, возникающие на входе питания. Чтобы оценить этот параметр, на вход питания подается сигнал VIN = 100 мВ (размах) при 217 Гц (частота переключения GSM в телефонных приложениях), а затем измеряется амплитуда выходного сигнала. Шумовой сигнал может иметь прямоугольную или синусоидальную форму. Обычно прямоугольная волна предпочтительнее, так как это наихудший случай.

PSRR – это отношение амплитуды остаточного шума на выходе микрофона (VOUT @ 217 Гц) к сигналу, генерируемому при добавлении помехи на вход питания. Обычно выражается в дБ, как указано в формуле 2:

formula2_MEMS.png (1 KB)

Способность интегральной схемы подавлять нестабильность напряжения питания, также может быть определена с помощью PSR. Данный параметр определяется выходным сигналом, генерируемым микрофоном при наличии шума 100 мВ (размах) 217 Гц на входе питания. Следовательно, PSR выражается в дБ, как указано в формуле 3:

formula3_MEMS.png (1 KB)

Чтобы при измерении PSRR или PSR избежать смешивания наложенного шума с фоновым, рекомендуется должным образом герметизировать звуковое отверстие микрофона или выполнять измерения в безэховой камере. В документации вместо PSRR обычно указывается PSR.

Номенклатура МЭМС-микрофонов

В таблице 1 представлена номенклатура новых и устаревших МЭМС-микрофонов производства ST. Эта сводная таблица включает в себя как аналоговые, так и цифровые микрофоны, что позволяет выбрать оптимальную модель для конкретного приложения.

Таблица 1. Особенности MEMS микрофонов

Наименования

Чувстви-
тельность

Направленность

SNR, дБ

AOP,  дБSPL

THD+N, дБSPL

PSR, дБ

Потребле-ние макс., мкА

Габариты, мм

Располо-жение порта

Диапазон рабочих температур, °С

MP23ABS1

-38 дБВ

Всенаправленный

64 (А)

130

-

-60

150

2,65х3,5х1,08

Внизу

-40…85

MP34DT05-A

-26 дБFS

Всенаправленный

64 (А)

122,5

0,7% @ 110

-72

650

3х4х1

Вверху

-40…85

MP34DT06J

-26 дБFS

Всенаправленный

64

122,5

0,7% @ 110

-72

650

3х4х1

Вверху

-40…85

MP45DT02-M*

-26 дБFS

Всенаправленный

61

120

< 5% @ 115

-70

650

3,76х4,76х1,25

Вверху

-40…85

MP34дБ02*

-26 дБFS

Всенаправленный

62,5

120

< 5% @ 115

-86

650

3х4х1

Внизу

-40…85

MP34DT01-M*

-26 дБFS

Всенаправленный

61

120

< 2% @ 115

-70

600

3х4х1х3х4х1,06

Вверху

-40…85

MP34DT04*

-26 дБFS

Всенаправленный

64

120

< 5% @ 115

-70

700

3х4х1,095

Вверху

-40…85

MP34DT04-C1*

-26 дБFS

Всенаправленный

64

120

< 5% @ 115

-70

700

3х4х1,095

Вверху

-40…85

MP34DT05*

-26 дБFS

Всенаправленный

64

122

< 6% @ 120

-72

650

3х4х1

Вверху

-40…85

MP23AB02B*

-38 дБFS

Всенаправленный

64

125

< 2% @ 120

-70

220

2,5х3,35х0,98

Внизу

-40…85

MP23AB01DM*

-38 дБFS

Всенаправленный

64

130

< 10% @ 130

-85

250

2,5х3,35х0,98

Внизу

-40…85

MP23AB01DH*

-38 дБFS

Всенаправленный

65

135

< 5% @ 130

-100

250

2,5х3,35х0,98

Внизу

-40…85

* - Устаревшие МЭМС-микрофоны производства ST (представлены для сравнения)

 

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MP34DB01TR
MP34DB01TR
STMicroelectronics
Арт.: 792692 ИНФО AN RD
Доступно: 354 шт. от 13 шт. от 169,63
Выбрать
условия
поставки
Микрофон
MP34DB01TR от 13 шт. от 169,63
354 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MP23AB02BTR
MP23AB02BTR
STMicroelectronics
Арт.: 1490231 ИНФО PDF RD OBS
Поиск
предложений
Микрофон
MP23AB02BTR
-
Поиск
предложений
MP34DT01TR-M
MP34DT01TR-M
STMicroelectronics
Арт.: 1490232 ИНФО PDF AN RD OBS
Доступно: 792 шт. 122,00
Микрофон
MP34DT01TR-M 122,00 от 7 шт. 116,00 от 36 шт. 103,00 от 76 шт. 97,50 от 391 шт. 94,50
270 шт.
(на складе)
522 шт.
(под заказ)
MP34DT04TR
MP34DT04TR
STMicroelectronics
Арт.: 1899619 ИНФО PDF RD
Доступно: 12 шт. от 4 шт. от 321,05
Выбрать
условия
поставки
MEMS MICROPHONE, OMNIDIR, HCLGA-4
MP34DT04TR от 4 шт. от 321,05
12 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MP34DT04TR-C1
MP34DT04TR-C1
STMicroelectronics
Арт.: 2607485 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
MEMS MICROPHONE, 3.6V, HCLGA-4
MP34DT04TR-C1
-
Поиск
предложений
MP34DT05TR-A
MP34DT05TR-A
STMicroelectronics
Арт.: 2727827 ИНФО PDF RD
Доступно: 3500 шт. 98,00
MEMS AUD MIC SENSOR OMNI 4HCLGA
MP34DT05TR-A 98,00 от 8 шт. 93,00 от 45 шт. 82,50 от 95 шт. 78,50 от 400 шт. 76,00
3103 шт.
(на складе)
397 шт.
(под заказ)
MP23ABS1TR
STMicroelectronics
Арт.: 2778262 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 1206 шт. от 18 шт. от 305,61
Выбрать
условия
поставки
Микрофон
MP23ABS1TR от 18 шт. от 305,61
1206 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
MP34DT06JTR
STMicroelectronics
Арт.: 3041032 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1466 шт. от 4 шт. от 251,43
Выбрать
условия
поставки
MEMS AUDIO SENS OMNIDIREC DIG MICROPHONE
MP34DT06JTR от 4 шт. от 251,43
1466 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
STEVAL-MIC001V1
STEVAL-MIC001V1
STMicroelectronics
Арт.: 3481496 ИНФО PDF RD
Доступно: 65 шт. 4050,00
Оценочная плата на базе четырех цифровых MEMS микрофонов MP34DT05-A.
STEVAL-MIC001V1 4050,00 от 2 шт. 3580,00 от 3 шт. 3410,00 от 10 шт. 3300,00 от 25 шт. 3230,00
7 шт.
(на складе)
58 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()