Por dentro do microfone MEMS: da onda sonora ao sinal digital

1. Introdução
2. Como funciona
3. Estrutura de hardware
4. As capacidades de engenharia acústica da Bestar
5. Conclusão

Introdução
Durante décadas, o microfone de eletreto condensador (ECM) foi o replicador padrão para áudio de consumo. Os ECMs são baratos, simples e funcionais. Mas possuem uma limitação fundamental: são construídos à mão, como componentes analógicos, e, como tal, apresentam inconsistências entre as unidades, são sensíveis ao calor e difíceis de miniaturizar para caber em um celular.
Microfones MEMS Mudou de vez. Os MEMS (Sistemas Microeletromecânicos) são dispositivos que incorporam componentes mecânicos e circuitos eletrônicos no mesmo chip de silício, criados pelos mesmos processos semicondutores usados ​​na fabricação de processadores e memórias. Aplicado à detecção acústica, isso significa que é possível criar um microfone que se comporte menos como um dispositivo eletromecânico tradicional e mais como um dispositivo semicondutor de precisão.
Os benefícios práticos são enormes. Primeiro, os microfones MEMS apresentam consistência. O processo de fabricação utiliza wafers de silício por meio de fotolitografia, o que permite um controle rigoroso da sensibilidade e da resposta de frequência em milhões de unidades de microfones ressonantes. Segundo, estabilidade térmica: os microfones MEMS suportam temperaturas de soldagem por refluxo em linhas de montagem SMT, temperatura na qual os ECMs convencionais são destruídos. Terceiro, os encapsulamentos MEMS geralmente medem 2,5 x 1,8 mm ou menos, o que possibilita a criação de smartphones ultrafinos, fones de ouvido TWS, veículos inteligentes e dispositivos IoT, que são sinônimos da eletrônica de consumo moderna.
Essas propriedades fizeram dos microfones MEMS o padrão para qualquer aplicação em que a qualidade de áudio, a confiabilidade de fabricação ou a miniaturização do dispositivo sejam prioridades.

Como funciona: Transformando o som em sinal elétrico
UM Microfone MEMS Funciona com base no princípio da variação da capacitância. Para entender esse mecanismo, basta ter conhecimentos básicos de física.
Um capacitor é um dispositivo elétrico que armazena carga elétrica entre duas placas condutoras separadas por um espaço. A capacitância (a quantidade de carga armazenada nele) é inversamente proporcional à distância entre as placas. Quando essa distância é alterada, a capacitância também é alterada. Quando ocorre uma mudança na capacitância em um sistema carregado, há também uma mudança na tensão desse sistema. Essa mudança de tensão representa o sinal elétrico.
No caso de um microfone MEMS, as duas "placas" são o diafragma e a placa traseira. O diafragma é uma membrana de silício fina e flexível, localizada na parte traseira da placa traseira, a alguns mícrons de distância. As ondas sonoras (uma onda de pressão no ar) empurram o diafragma, fazendo-o flexionar. Essa flexão altera a distância entre o diafragma e a placa traseira, o que, por sua vez, altera a capacitância. É essa alteração que gera um sinal de tensão correspondente à pressão sonora transmitida.
O sinal gerado é extremamente pequeno, da ordem de microvolts. Ele não consegue percorrer uma longa distância sem ser amplificado e condicionado. Este é o funcionamento do ASIC.
O ASIC (Circuito Integrado de Aplicação Específica) é o segundo chip de silício presente em todos os encapsulamentos de microfones MEMS. Ele desempenha três funções. Primeiro, fornece uma tensão de polarização estável ao elemento capacitivo (chamado de bomba de carga, um circuito interno que gera uma tensão de polarização CC para obter um campo elétrico constante no capacitor). Segundo, realiza a conversão de impedância, transformando a alta impedância de saída do elemento capacitivo na baixa impedância do sinal que aciona a cadeia de sinal. Terceiro, amplifica o sinal e, em versões digitais, o converte para o formato de um sinal padrão.

Estrutura de hardware: a micromecânica de semicondutores de alta qualidade.
O chip MEMS (chip sensor)
O pistão é o elemento de movimento. Geralmente é uma membrana circular ou retangular de silicone, com alguns micrômetros de espessura, fixada nas bordas e livre para flexionar a partir do centro. Sua rigidez e massa determinam a sensibilidade e as características de resposta de frequência do microfone. Diafragmas mais finos e maiores têm maior sensibilidade, mas menor rigidez.
A superfície traseira da placa de suporte é o eletrodo estacionário. Ela é perfurada por uma matriz de orifícios acústicos, pequenos o suficiente para garantir a rigidez estrutural, mas grandes o suficiente para permitir o fluxo de ar, através dos quais nenhuma resistência viscosa impede o movimento do diafragma. O espaço entre o diafragma e a placa de suporte é normalmente de 1 a 4 micrômetros. Manter essa dimensão ao longo do processo de produção é um dos desafios da fabricação de dispositivos acústicos MEMS.
O chip de processamento de sinal (chip ASIC)
O ASIC realiza transformação de impedância, pré-amplificação e conversão analógica-digital. No caso de dispositivos de saída analógica, ele fornece um sinal de tensão, simples ou diferencial, com ganho fixo. Em dispositivos de saída digital, ele contém o modulador SD, que converte o sinal analógico em PDM (Modulação por Densidade de Pulsos) ou em um fluxo de bits I²S.
Embalagem e Cavidade Acústica
Os dois chips (MEMS e ASIC) são montados dentro de um encapsulamento de montagem em superfície, geralmente uma caixa LCC com tampa metálica ou uma caixa plástica do tipo LGA. A porta acústica fica na parte inferior do encapsulamento (porta inferior) ou na parte superior.
Microfones com porta inferior alinham a abertura acústica com um orifício na placa de circuito impresso (PCB) abaixo e captam o som por baixo da PCB. Microfones com porta superior têm a abertura voltada para o lado dos componentes e recebem o som por cima. A escolha depende da geometria da caixa acústica utilizada, da necessidade de vedação acústica e da direção da fonte sonora desejada.
A proporção entre o volume da cavidade frontal e o volume da cavidade traseira (os espaços em ambos os lados do diafragma) tem um efeito direto na sensibilidade e na resposta de baixa frequência. E uma cavidade frontal maior geralmente melhora a extensão das baixas frequências.

Capacidades de Engenharia Acústica da Bestar
O melhor desenvolveu seu portfólio de microfones MEMS por meio de investimentos contínuos em pesquisa acústica e controle de processos em nível de semicondutores. Além do fornecimento de componentes, O melhor também pode fornecer soluções.

Conclusão
Um microfone MEMS é um dispositivo realmente notável. Ele transforma variações na pressão do ar (som) em informações elétricas com extraordinária fidelidade, transmitidas de volta para o computador, em um formato menor que um grão de arroz.
Isso é possível porque a física acústica e a fabricação de semicondutores convergiram. O princípio do capacitor variável é conhecido há mais de cem anos. O que mudou foi a capacidade de fabricar esse capacitor, incluindo diafragma, placa traseira e entreferro, a um custo que não inclui um nível de precisão de microcorrente.
Olhando para o futuro, os microfones, que consomem microwatts de energia, permanecem constantemente ligados e só ativam um dispositivo quando uma palavra-chave específica é recebida. Os microsserviços de processamento de voz com IA parecem promissores. Isso exige tecnologias ainda mais avançadas no design de ASICs de baixo consumo e na fusão de sensores. Os microfones MEMS estão bem posicionados para essa transição; sua eficiência e alta densidade de combinação os tornam a base natural para o funcionamento futuro de dispositivos com foco em voz.
Quer esteja a encomendar um componente pronto a usar ou deseje receber aconselhamento sobre a configuração de um sistema acústico de qualquer tipo, por favor, contato O melhor, O melhor Estamos aqui para auxiliar no seu projeto desde a especificação inicial até a prontidão para produção.