Erfahren Sie in diesem Blogeintrag von CUI Devices, wie Sie die passende Mikrofontechnologie für Ihr nächstes Projekt auswählen.
Vielleicht erinnern Sie sich an eine Marketingkampagne vor einigen Jahren mit der Frage: "Können Sie mich jetzt hören?" Von Wearables bis hin zu Heimassistenten werden heutzutage immer mehr Geräte entwickelt, die ihre Umgebung "hören" sollen. Das richtige Mikrofon macht es Anwendungen möglich, so gut wie jedes Geräusch aufzunehmen. Die zwei beliebtesten Technologien zur Konstruktion von Mikrofonen sind dabei MEMS und Elektret-Kondensatoren. Obwohl beide Technologien auf ähnlichen Prinzipien beruhen, eignet sich in vielen Fällen eine besser als die andere. In diesem Sinne gehen wir die Grundlagen von MEMS und Elektret-Kondensatormikrofonen durch, vergleichen die Unterschiede der beiden Technologien und betrachten die Vorteile der jeweiligen Lösungen.
Grundlagen des MEMS-Mikrofons
MEMS-Mikrofone bestehen aus einer MEMS-Komponente (mikroelektromechanisches System), die auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) angebracht wird und von einer mechanischen Abdeckung geschützt wird. In die Abdeckung wird ein kleines Loch eingelassen, durch das Ton ins Mikrofon gelangen kann. Ist das Loch in der oberen Abdeckung, wird dies als Top-Port bezeichnet. Ist es in der PCB, so wird es Bottom-Port genannt. Das Design der MEMS-Komponente beinhaltet oft eine mechanische Membran und eine Befestigungsstruktur, die auf einem Halbleiterchip aufgebaut wird.
Typischer MEMS-Mikrofonaufbau
Die MEMS-Membran formt einen Kondensator, sodass Schalldruckwellen eine Bewegung der Membran auslösen. MEMS-Mikrofone besitzen in der Regel einen zweiten Halbleiter, der als Audiovorverstärker fungiert, indem er die fluktuierende Kapazität des MEMS in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Output des Audiovorverstärkers kann dem Benutzer, wenn gewünscht, per analogem Ausgangssignal bereitgestellt werden. Wird ein digitales Ausgangssignal gewünscht, so wird auf demselben Chip wie der Audiovorverstärker ein Analog-Digital-Wandler (A/D-W) beigefügt. Pulsdichtemodulation (PDM), ein häufig für die digitale Kodierung in MEMS-Mikrofonen verwendetes Format, ermöglicht die Kommunikation mit nur einem Zeitgeber und einer einzelnen Datenlinie. Die Einzelbit-Kodierung der Daten vereinfacht das Dekodieren des digitalen Signals am Empfänger.
Links: Anwendungsschema eines analogen MEMS-Mikrofons Rechts: Anwendungsschema eines digitalen MEMS-Mikrofons
Grundlagen des Elektret-Kondensatormikrofons
Elektret-Kondensatormikrofone (ECM) sind aufgebaut, wie in der Grafik unten angezeigt.
Typischer Aufbau eines Elektret-Kondensatormikrofons
Eine Elektret-Membran (ein Material mit konstanter Oberflächenspannung) wird nah an einer leitenden Platte angebracht und, ähnlich wie beim MEMS-Mikrofon, entsteht ein Kondensator, indem der Luftzwischenraum als Dielektrikum fungiert. Die Spannung im Kondensator verändert sich je nach Kapazitätswert, der sich wiederum ändert, wenn der Schalldruck die Elektret-Membran bewegt: ΔU = Q/ ΔC. Die Fluktuation der Kondensatorspannung wird von einem im Mikrofongehäuse befindlichen JFET verstärkt und gepuffert. Der JFET ist in der Regel als Source-Schaltung konfiguriert, während in der externen Anwendungsschaltung ein externer Lastwiderstand und Gleichstromsperrkondensator eingesetzt werden.
Anwendungsschema des ECMs
Unterschiede der Mikrofontechnologie
Bei der Wahl zwischen einem ECM und MEMS-Mikrofon gibt es viel zu bedenken. Der Marktanteil von MEMS-Mikrofonen erlebt weiterhin schnelles Wachstum, da diese neuere Technologie viele Vorteile bietet. Für Anwendungen mit eingeschränkten Platzverhältnissen werden zum Beispiel die kleineren Gehäusegrößen von MEMS-Mikrofonen attraktiv sein. Dank der für die Konstruktion von MEMS-Mikrofonen beigelegten analogen und digitalen Schaltungen können der PCB-Bereich und die Kosten der Komponenten reduziert werden. Die relativ niedrige Ausgangsimpedanz analoger MEMS-Mikrofone und die Outputs digitaler MEMS-Mikrofone sind ideal für Anwendungen in Umgebungen mit elektrischem Rauschen. In Umgebungen mit starken Vibrationen kann der Einsatz von MEMS-Technologie durch mechanische Vibration verursachtes, unerwünschtes Rauschen verringern. Der Einsatz von Halbleiter-Herstellungstechnologie und Audiovorverstärkern ermöglicht außerdem die Herstellung von MEMS-Mikrofonen mit genau abgestimmten und temperaturstabilen Leistungsmerkmalen. Diese stabilen Leistungsmerkmale von MEMS-Mikrofonen sind besonders beim Einsatz in Feldanwendungen von Vorteil. MEMS-Mikrofone können des Weiteren während der Herstellung einfach mit Pick-and-Place-Maschinen angebracht werden und vertragen die beim Reflow-Löten entstehenden Temperaturen.
Trotz der wachsenden Beliebtheit von MEMS-Mikrofonen gibt es weiterhin Anwendungen, für die ein Elektret-Kondensatormikrofon bevorzugt werden könnte. Da viele ältere Designs ECMs verwenden, kann es bei einem Projekt, das ein einfaches Upgrade eines bestehenden Designs darstellt, am besten sein, bei einem ECM zu bleiben. Die verschiedenen Möglichkeiten ein ECM an die Anwendungsschaltung anzubringen, darunter Pins, Drähte, SMT, Lötpads und Federkontakte, bieten Ingenieuren zusätzliche Flexibilität beim Design. Sollte Schutz vor Staub und Feuchtigkeit von Bedeutung sein, sind ECMs mit hohem IP-Nennwert leicht zu finden, da sie größer sind. Für Projekte, die ungleichmäßige Raumempfindlichkeit benötigen, sind intrinsisch gerichtete ECM-Produkte erhältlich, etwa Richtmikrofone oder Mikrofone mit Störschallunterdrückung. Der breite Betriebsspannungsbereich von ECMs kann die bevorzugte Lösung für Projekte mit ungenau regulierbaren Spannungsschienen sein.
Wahl der passenden Mikrofontechnologie für Ihr Projekt
Die Wahl zwischen Elektret-Kondensator- und MEMS-Mikrofonen ist von den Anforderungen Ihres Projekts bestimmt. Obwohl MEMS-Mikrofone dank ihrer vielen Vorteile immer beliebter werden, sind ECMs weiterhin in vielen Anwendungen im Einsatz, da sie ein breiteres Angebot an Gehäusen und Richtcharakteristiken bieten. Unabhängig von der ausgewählten Technologie wird CUI weiterhin ein breites Spektrum an Mikrofonprodukten entwickeln und anbieten, um Ihrem Projekt dabei zu helfen, die notwendigen Geräusche zu "hören".