Mikrofoner med mikroelektriska mekaniska system (MEMS) möjliggör nya funktioner (som bullereliminering och stöldskyddssystem), ger bättre ljudkvalitet och lägre kostnader. Rich Miron från Digi-Key tittar här på mikrofontillämpningar från olika tillverkare.

MEMS-enheter utnyttjar samma CMOS-kiselteknik som används i integrerade kretsar och är mindre och driftsäkrare än traditionella mikrofoner. De kan dessutom ytmonteras. Detta gör att mikrofonerna kan placeras på många olika ställen, vilket möjliggör nya funktioner som bullereliminering och medger installation av mikrofonarrayer för att detektera och styra audioströmmar.

CMOS-tekniken medger också implementering av standardgränssnitt på samma chip, vilket ökar integrationen och reducerar både systemets energiförbrukning och den totala materialkostnaden. Den låga profilen och den förbättrade driftsäkerheten har gjort att tekniken börjat tillämpas på konsumentmarknaden, speciellt i mobiltelefoner.

Bullereliminering
Bullereliminering är en alltmer intressant tillämpning som möjliggjorts av MEMS-mikrofonerna och den signalbehandling de använder. Ytmonterade MEMS-mikrofoner kan placeras på kritiska ställen för att registrera bullrets frekvensprofil. Signalbehandlingen inverterar sedan profilen och förskjuter den och skapar därmed "motsatsen" till bullerprofilen. Denna matas sedan ut genom en högtalare och neutraliserar bakgrundsbullret, vilket ger ett klart ljud.

Medan denna teknik tidigare endast användes i dyrbara hörlurar och som bullerdämpning i lyxbilar kan den nu utnyttjas för att förbättra ljudet i mobilsamtal. Detta driver upp volymen av MEMS-mikrofoner, sänker kostnaderna och öppnar nya tillämpningsområden, speciellt inom vissa industriområden. Bullereliminering kan nu användas i många sammanhang där kvaliteten på ingående och utgående ljud är vital för säkerheten, bland annat i tillämpningar där röststyrning används. Med användning av strålformning (se nedan) kan mikrofonerna målinriktas på användarens röst för att ge ännu bättre effekt.

MEMS-mikrofoner kan också vara till hjälp vid diagnostiska applikationer inom industridesign. Mikrofonernas ringa storlek och de många placeringsmöjligheterna gör att de kan användas på platser som är svåra att nå, exempelvis för registrering av nyckeldata om hälsotillståndet hos industriella system. Genom övervakning av ljudfrekvensen kan potentiella problem hos utrustningen identifieras tidigare och underhållsåtgärder vidtas, vilket sparar tid och kostnader och minimerar risken för dyrbara driftstopp som kan inträffa om utrustningen plötsligt havererar.

Stöldskydd
I stöldskyddstillämpningar kan en MEMS-mikrofon användas på ett flertal sätt. En uppenbar användning är när en enhet har stulits och stöldskyddssystemet har aktiverats. Omgivningsljuden kan då registreras och med hjälp av en trådlös sändare skickas till en webbplats eller en mobiltelefon, vanligen i kombination med ett lokaliseringssystem. Utrustningen kan vara liten och diskret men lämna vital information om stölden, i många fall i kombination med bilder från en videokamera.

Men den lilla storleken och den ökade känsligheten hos MEMS-mikrofonerna gör att de också kan användas i rörelsesensorer i ett stöldskyddssystem. När stöldskyddssystemet är aktiverat skapar varje rörelse ljud med specifika frekvenser som fångas upp av mikrofonen, filtreras i signalbehandlingen och utlöser en avisering i form av ett larm eller ett meddelande till en mobiltelefon eller webbsida. Med en array av MEMS-mikrofoner skapas riktningsinformation som säkerhetsalgoritmerna kan använda för att förhindra "falskt positiva" larm och därmed göra systemet mer exakt.

MP34DB01 är en ultrakompakt, rundstrålande digital MEMS-lågeffektsmikrofon med ett kapacitivt sensorelement och IC-gränssnitt med stereomöjlighet. MEMS-mikrofonerna från STMicroelectronics använder en patenterad teknik som placerar mikrofonmembranet närmare audioporten på översidan av enheten, vilket ger påtagligt bättre prestanda utan att storleken ökar.

Fig 1. MP34DB01 MEMS-mikrofon i ett USB-utvärderingskort från STMicroelectronics

MP34DB01 har en överstyrningsgräns på 120 dB med ett signal-brusförhållande på 62,6 dB och en FS-känslighet på -26 dB. Den levereras i en EMI-skärmad enhet för ytmontering med bottenport och är garanterad att fungera i ett temperaturintervall från -30 °C till +85 °C. Den drivs med en enkelmatad driftspänning med PDM-enkelbitsutmatning med möjlighet för stereokonfigurering.

Detta svarar mot behovet i taligenkänningssystem för röststyrda program och elektroniska assistenter som används i nya konsumentapplikationer, där förbättrad röstförståelse utan ökad processorbelastning är en nyckelfaktor.

Dessutom ger MEMS-mikrofonerna förbättrad ljudkvalitet i tillämpningar med ett flertal mikrofoner. Det lilla formatet, känslighetsanpassningen och frekvensåtergivningen i MEMS-konstruktionen möjliggör aktiv buller- och ekoeliminering, liksom även strålformning för att isolera ett ljud och dess lokalisering.

Även SPU0409HD5H från Knowles Acoustics, som bygger på företagets SiSonic kiselbaserade teknik, är en MEMS-design som medger mindre och mindre format, lägre profil och olika monteringsalternativ, förbättrad utmatningskapacitet och nya digitala audioalternativ som eliminerar analogt buller. Mikrofonerna kan också integreras med det patenterade IntelliSonic-programmet och med portdesign som ger ett exakt behovsanpassat ljud. För tillverkarna innebär de ytmonterade konstruktionerna att produktionskostnaderna för separat detaljsammansättning elimineras.

Fig 2. SiSonic MEMS-mikrofonerna från Knowles Acoustics

Kiselkonstrukturen ger en hög grad av upprepbarhet i produktionen och stabila akustiska prestanda, samtidigt som det patenterade "free-floating" membranet är immunt mot ändringar av mikrofonens känslighet orsakade av varierande mekaniska spänningar i membranen i traditionella elektretkondensatormikrofoner. Samtidigt ger den låga vikten och det lilla membranet en utomordentligt god vibrationskänslighet.

Analog Devices har kombinerat sin expertis inom signalbehandling med sin iMEMS-teknik för att skapa en serie mikrofoner med att signal-brusförhållande (SNR) på 62 dBA med undertryckning av spänningsstörningar (power supply rejection rate, PSRR) på 70 dB samt integrerat högpassfilter. Det innebär att elektroniktillverkarna nu kan utveckla portabla elektroniska apparater som levererar klarare och tydligare röståtergivning utan det bakgrundsbuller/brus som andra mikrofoner med lägre signal-brusförhållande ger.

ADMP401 är en högkvalitativ rundstrålande bottenportsmonterad MEMS-mikrofon med höga prestanda, låg effekt och analog utmatning. Den kombinerar MEMS-mikrofonelement med impedansomvandlare och utgångsförstärkare och är tillräckligt känslig för både när- och fjärrtillämpningar. ADMP401 har högt signal-brusförhållande och bredbandig frekvensåtergivning som ger ett naturligt ljud med hög tydlighet. Den låga strömförbrukningen ger lång batterilivslängd i portabla användningar.

Fig 3. ADMP401 MEMS-mikrofon från Analag Devices.

En av de viktigaste tillämpningarna som Analog Devices förutser är strålformning, där ett riktat strålknippe kan användas för att detektera bullrets riktning och använda förbättrad bullereliminering i stöldskyddssystem.

Alla MEMS-mikrofoner har rundstrålande ljudmottagning, vilket innebär att de reagerar på samma sätt oberoende av varifrån ljudet kommer. Flera mikrofoner kan konfigureras i en array för riktad mottagning, så att de bildar ett strålmönster En strålformande mikrofonarray kan utformas så att den blir mer känslig för ljud som kommer från en eller flera specifika riktningar än för ljud som kommer från andra riktningar.

Mikrofonmatchning
För att mikrofonstrålformning skall ge bra prestanda krävs att känsligheten och frekvensåtergivningen hos de olika komponenterna i arrayen är nära matchade. Skillnader i dessa två parametrar mellan olika arrayelement leder till att arrayens förväntade effekt inte uppnås. Nollriktningen blir inte lika skarp och arrayens inriktning blir kanske inte korrekt orienterad. MEMS-mikrofonernas känslighet och frekvensåtergivning måste vara nära matchade när de används i en strålformande array.

Effekten på signal-brusförhållande t beror på arrayens konfiguration och signalbehandlingen, och resultatet kan bli antingen en ökning eller en minskning av systemets signal-brusförhållande för olika arraytopologier. Det är viktigt att välja topologier med högsta möjliga signal-brusförhållande för att maximera systemets totala prestanda.

På axeln är strålformarens utmatning i tvärriktning likvärdig med att helt enkelt summera två identiska signaler för att förbättra signal-brusförhållandet. På en summeringsarray i tvärriktning adderas bruset från flera mikrofoner tillsammans effektmässigt, vilket ger en 3 dB ökning av brus när antalet mikrofoner fördubblas.

Detta demonstrerar fördelen med strålformning för att öka mikrofonernas prestanda – när signalnivån fördubblas blir resultat en ökning med 6 dB. Samtidigt ger bruset en ökning på 3 dB av den totala nivån, vilket resulterar i en 3 dB ökning av signal-brusförhållandet.
Frekvensåtergivningen på axeln för en differentiell strålformningsarray med 2 mikrofoner motsvarar 6 dB för frekvenser med en våglängd på dubbla avståndet mellan mikrofonerna (typiskt omkring 4,1 kHz). Kring denna frekvens är differensen mellan arrayens utsignal och dess brus högre än för de enskilda mikrofonerna, men signal-brusförhållandet över alla frekvenser är svårare att beräkna.

Placering och höjd
Avståndet mellan mikrofonernas audioportar i en array är bara en av de faktorer som måste beaktas när en mikrofonarray skall konstrueras. Även om MEMS-mikrofoner är mycket tunna har de ändå en höjd som arraydesignen måste ta hänsyn till.

Membranets akustiska centrum i an MEMS-mikrofon från Analog Devices ligger till exempel 0,57 mm ovanför audioporten. Förutom tjockleken på kretskortet där mikrofonen monteras, måste även detta avstånd beaktas vid val av stånd mellan mikrofonerna. Detta är dock inget problem om alla mikrofonerna monteras på samma sätt på samma kretskort och har samma höjd på audioportarna.

Avancerad strålformning
Arrayer med olika antal mikrofoner och olika konfiguration är möjliga, och graden av komplexitet i signalbehandlingsalgoritmerna kan gå långt utöver enkla algoritmer. Mer avancerade algoritmer kan användas för röstspårning och strålstyrning, även med ett litet antal mikrofoner.

De arrayer som berörts här är alla linjärt fördelade, men mer avancerade strålformare på högre nivåer kan byggas med varierande avstånd mellan varje mikrofonpar i arrayen. Detta slag av konfiguration ändrar noll- och aliasfrekvenserna och signal-brusförhållandet mellan de olika mikrofonerna och kan potentiellt resultera i en array med lägre brus och en mer användbar frekvensåtergivning.

Slutsatser
Att använda den väletablerade och kostnadseffektiva CMOS-tekniken erbjuder en rad fördelar för systemkonstruktören. CMOS-tekniken ger både lägre kostnader och effektivare produktion och samspelar också väl med signalbehandling som gör systemen effektivare.

De små enheterna kan placeras på ställen som tidigare varit svåråtkomliga och leverera diagnostiska data som kan spara tid och pengar. Bullereliminering kan användas i många fler tillämpningar, vilket möjliggör användning av driftsäker röststyrning inom nya områden. Att många mikrofoner kan monteras i array gör att nya innovativa strålformningstekniker kan utvecklas som kan "låsa" på an användares röst för att öka systemets eller gränssnittets prestanda.
Rich Miron, Digi-Key

Rich Miron är teknisk dokumentationsingenjör hos Digi-Key Corporation in Thief River Falls, Minnesota. Han har tidigare bland annat varit chefsingenjör vid Bettis Atomic Power Laboratory utanför Pittsburgh, Pennsylvania, där han var huvudansvarig för underhåll av manualer för reaktoranläggningar på USA-marinens fartyg samt felsökning och felavhjälpning på instrumentering och styrsystem.

Filed under: Distribution