Pod označením MEMS mikrofony se skrývají miniaturní křemíkové mikrofony vyráběné v provedení jedné integrované součástky (CMOS čipu), která obsahuje jak snímací na tlak citlivou křemíkovou membránu přímo upevněnou na křemíkový čip, tak i integrovaný předzesilovač a případně další pomocné obvody, jako například různé aktivní filtry pro odstranění nežádoucích složek zvuku (např. hluk). Pro snadné připojení k dnešním již plně digitálním systémům již také dost často obsahuje integrovaný A/D převodník a výstup z „mikrofonu“ již tedy jsou digitální sériově přenášená data. Celý mikrofon je tak jedna kompaktní součástka velikosti max. několika mm. Ve většině případů je systém snímání tlaku ve formě měření změny kapacity (podobně jako například snímání vibrací u MEMS akcelerometrů), tedy prakticky jde o kapacitní mikrofon.

Mezi aktuálně nejlepší výrobce MEMS mikrofonů patří následující společnosti:

• Wolfson Microelectronics (WM7xxx)
• Analog Device (ADMP40x)
• Akustica (AKU200x)
• Infineon (SMM310)
• Knowles Electronics (SiSonic SPx04xxxxx)
• Memstech (MSMx)
• AAC Acoustic Technologies (SM0401x)
• Omron - STMicroelectronics

Nejnověji k těmto výrobcům v minulém roce 2009 ještě přibyl STMicroelectronics, který však využívá technologii OMRONu.

Bližší popis MEMS mikrofonů

Trocha historie ...

Od doby kdy byl vynalezen první mikrofon (rok 1876) již uplynulo mnoho let a vývoj postoupil velmi kupředu. Z pohledu MEMS mikrofonů je jedním z dalších mezníků rok 1962, kdy byl vynalezen všem elektrotechnikům asi důvěrně známý elektretový kondenzátorový mikrofon EMC (Electret-Condenser-Microphone), který v sobě kombinuje vysokou citlivost, relativně dost vysoký frekvenční rozsah při nízkých výrobních nákladech a tedy i nízké prodejní ceně. Taky se jich ročně vyrobí a prodá přes 1 bilion kusů a téměř 90% všech vyrobených mikrofonů jsou právě elektretové. Dalším mezníkem je rok 1983, kdy byl vyroben první integrovaný MEMS technologií vyrobený kapacitní mikrofon a to také mimo jiné přispělo k nebývalému rozkvětu dnešních miniaturních mobilních telefonů a podobných komunikátorů.

MEMS kapacitní mikrofony (MCM = Mems Capacitive Microphone), vyráběné jednosubstrátovou technologií kombinující objemové a povrchové MEMS technologie, vylepšil mnoho vlastností elektretových mikrofonů, navíc je výrazně menší, přizpůsobený vysokoteplotnímu automatickému osazování desek plošných spojů a méně náchylný na mechanické poškození. Hlavní jeho výhodou však je možnost monolitické integrace na společný křemíkový CMOS čip s elektronickými analogovými i digitálními obvody. Díky tomu se dá využít i obecně jako akustický senzor snímající i jiné frekvence než lidský hlas a je vhodný například i pro systémy automatické detekce opotřebení strojů.
MEMS mikrofony samozřejmě mohou pracovat i na jiném principu než měření změny kapacity, například se využívá piezoelektrických a piezorezistivních principů či optické detekce, ale přesto cca 80 % veškeré produkce MEMS mikrofonů využívá kapacitní princip (MCM), protože poskytují vysokou citlivost a zároveň levnou „pásovou“ výrobu.

Bloková struktura MEMS mikrofonu

Základním prvkem MCM je elektroakustický měnič realizovaný pro detekci vzduchem šířeného akustického tlaku. Primárně se skládá ze dvou elektrod, kde jedna je pevná umístěná na čipu a druhá pohyblivá umístěná na tenké malé křemíkové membráně. Její pohyb v důsledku měnícího se akustického tlaku mění mezeru mezi elektrodami a tedy i kapacitu vzduchového kondenzátoru. Ten se následně hned vedle na stejném čipu umístěnými obvody převádí na napětí, proud či frekvence, který je k dispozici pro další zpracování na výstupním rozhraní (RI).

Ze součástky tak může vycházet základní analogový signál, či může být dalšími obvody na čipu dále upraven (filtrován), zesílen či převeden na digitální signál. Následující obrázek přibližně ukazuje tento princip vyhodnocení změny kapacity v MCM:

Struktura snímací části – kapacitní senzor

Pevná membrána (PM) elektroakustického měniče je perforovaná a slouží jako pevná elektroda. Díky akustickým otvorů je tedy necitlivá k akustickému tlaku. Pohyblivá snímací membrána (MM) je připevněna ke křemíkovému substrátu pomocí křemíkových pružin, podobně jako snímací struktura MEMS akcelerometrů, a vibruje dle změn tlaku vzduchu. Navíc je zpevněna vertikálními žebry. Celá tato struktura je zapouzdřena v komoře.

Jedno z možných provedení MEMS mikrofonu, konkrétně jeho snímací části v podobě kapacitního senzoru tvořeného pružnou a pevnou membránou (elektrodou).

Fotografie reálné struktury MEMS mikrofonu.

Takto vytvořený kapacitní senzor je uměle vychylován napětím VB (viz obrázek). Tato polarizace ukládá v kapacitní struktuře určité množství vychylovacího náboje a nastavuje senzor na požadovanou snímací citlivost. Ta může být definována jako poměr mezi výstupním napětím či proudem a změnou kapacity v MEMS struktuře při akustickém tlaku.

Polarizací struktury vzniká uměle generovaná elektrostatická síla vychylující pohyblivou membránu (Moving Membrane) z její klidové pozice XU do nové pozice X0, kde je protivyvážena silou tuhosti pružin (Suspension Spring). To je nový pracovní bod, ve kterém se membrána pohybuje díky působícímu akustickému tlaku a určuje požadovanou citlivost.

Následujícími obvody se pak zpracovává jen proměnná složka kapacity CM, zatímco pevná hodnota kapacity C0 v daném prac. bodě se eliminuje. Citlivost mikrofonu tak závisí na vychylovacím náboji uloženém v MCM a tedy ve výsledku na přiloženém napětí VB.

V závislosti na vzdálenosti elektrod a parazitních kapacitách může být vhodná co nejvyšší hodnota VB pro dosažení co největší snímací citlivosti. V praxi však nemůže být vyšší než tzv. pull-in hranice, kdy se pohyblivá membrána „přilepí“ na pevnou elektrodu (Fixed Backplate). Obvykle se VB volí 70 % hodnoty pull-in napětí.

Typické parametry kapacitního senzoru:

• Efektivní oblast MM membrány: 0,25 mm
• Velikost komory: 0,4 mm3
• Jmen. vzdálenost mezi elektrodami: 1,6 mikrometrů
• Pull-in napětí: 10V
• Citlivost (při 1 Pa / 1 kHz): 4.2 mVpp (-53 dBV/Pa)
• Parazitní kapacity:
  • CP1: 3 pF
  • CP2: 30 pF
  • C0: 6 pF

Provedení vyhodnocovacích obvodů (RI rozhraní)

V  MCM je velká důležitost kladená na provedení výše zmíněného RI rozhraní, které prakticky určuje výsledné vlastnosti mikrofonu, a které zároveň musí zajistit co nejlepší a nejpřesnější odměření velmi malinkých změn kapacity, aniž by bylo měření znehodnoceno různými parazitními jevy a také provést linearizaci signálu, protože optimální funkce mikromechanické struktury senzoru je mimo lineární oblast. Elektrické zapojení také musí být co nejjednodušší, aby bylo levné a snadno realizovatelné pro výrobu pomocí běžných CMOS výrobních postupů. A to vše při co nejmenší spotřebě elektrické energie, protože ve většině případů MCM pracují v bateriově napájených systémech a aplikacích.

Dnes je již nejběžnější následující složení výstupních obvodů (RI rozhraní):

• Nábojový zesilovač / převodník / napěťový předzesilovač (PAMP)
• Sigma-delta A/D převodník (SDM)
• Obvody kompenzace, filtrace a digitálního řízení

Tyto bloky pak převádí proměnou kapacitu na výstupní převzorkovaný datový tok. Někteří výrobci pak využívají i tzv. silovou zpětnou vazbu FFB (Force-FeedBack), která průběžně mění hodnotu výše uvedeného vychylovacího napětí VB a zvyšuje tak linearitu, stabilitu a eliminuje vlivy výrobních odchylek. Její používání je běžné i u MEMS akcelerometrů. Typické PAMP obvody jsou realizovány jako přímý převodník kapacity na napětí s přepínaným ofsetem a obvody pro odstranění šumu. Také často obsahují napěťově řízený zesilovač, řízení ofsetu a filtrem typu horní propust. Výstupními obvody filtrace a kompenzace pak jednotlivý výrobci dolaďují požadovanou frekvenční charakteristiku tak, aby byla v co nejširším pásmu plochá.

Dosahované parametry

U MEMS kapacitních mikrofonů je dnes běžná plochá frekvenční charakteristika od cca 100 Hz do 15 kHz, což zvláště pro oblast přenosu hlasu více než postačuje. Z pohledu citlivosti se dnes běžně dosahuje hodnot – 25 až – 40 dBV a SNR více než 60 dB. To vše při velikosti pouzdra cca 3 × 3 × 1 mm.

Mezi špičkové MCM dnes například patří výrobky společnosti OMRON, která v pouzdru velikosti jen 1.3 x 1.4 x 0.5 mm integruje mikrofon s citlivostí -26 dB a frekvenčním rozsahem 20 Hz až 20 kHz při napájení 10 až 15 V. Protože je mikrofon primárně určen pro přenosná zařízení, je výrobcem deklarován provozní rozsah teploty -40°C až +100°C.

Závěr

Bez MEMS mikrofonů by se dnes neobešla většina současných mobilních telefonů, diktafonů, kamer a fotoaparátů či handsfree sad a podobných multimediálních zařízení, kde každý milimetr místa je často skoro ceněný zlatem. Také výroba těchto součástek rok od roku neustále stoupá a i počet výrobců každým měsícem narůstá.

DOWNLOAD & Odkazy

• Syed Arsalan Jawed: "CMOS READOUT INTERFACES FOR MEMS CAPACITIVE MICROPHONES", DIT - University of Trento, 2009
• Dan Giesecke: "MEMS Microphone", Knowles Acoustics (www.knowles.com), 2007
• Mark Sheplak, John M. Seiner, Kenneth S. Breuerz, Martin A. Schmidt: "A MEMS Microphone for Aeroacoustics Measurements", American Institute
  of Aeronautics and Astronautics Inc., 1999
• Výrobci MEMS mikrofonů: www.wolfsonmicro.com, www.analog.com, www.akustica.com, www.infineon.com, www.knowles.com, www.memstech.com, www.aacacoustic.com, www.st.com

• Další zajímavé články o senzorech najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz