MEMS-Mikrofon
MEMS-Mikrofone sind Mikrofone, die mithilfe der mikroelektromechanischen Systemverarbeitungstechnologie hergestellt werden. MEMS-Mikrofone werden auch häufig als Mikrofonchips bezeichnet, also Siliziummikrofone, die effektiv in Halbleiter-Siliziumwafer geätzt werden. Die druckempfindliche, abnehmbare Membran (Septum) wird hinter der festen perforierten Platte geätzt. Die perforierte Halteplatte und die Membran bilden zusammen einen Kondensator (ähnlich dem Design eines Kondensatormikrofons). Wie die meisten MEMS-Technologien werden MEMS-Mikrofone am Fließband unter Verwendung von Halbleiter-Siliziumwafern und in hochautomatisierten Prozessen hergestellt. Verschiedene Schichten unterschiedlicher Materialien werden auf den Siliziumwafer gestapelt und dann das unerwünschte Material weggeätzt. Nach Abschluss des Ätzens verfügt das Wandlerelement des MEMS-Mikrofons über eine bewegliche Membran, eine feste, aber perforierte Platte und ein umgebendes Gehäuse. ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise) sind für die Arbeit mit den Wandlerelementen von MEMS-Mikrofonen ausgelegt. Sie verwenden eine Ladungspumpe, um eine feste Ladung zwischen der Befestigungsplatte und dem Mikrofonfilm zu platzieren. ASICs sind spezialisierte Mikrochips.
Vorteile von MEMS-Mikrofonen
Die Größe ist wichtig
MEMS-Mikrofone sind unglaublich kompakt und
eignen sich daher für Anwendungen mit begrenztem
Platzangebot. Sie werden häufig in Smartphones,
Tablets und tragbaren Geräten verwendet, bei denen
Miniaturisierung von entscheidender Bedeutung ist.
Energie-Effizienz
Diese
Mikrofone verbrauchen nur minimalen Strom, was für
tragbare Geräte mit begrenzter Akkukapazität
entscheidend ist. Dies gewährleistet eine längere
Akkulaufzeit Ihrer Geräte.
Hochwertiger Klang
Trotz ihrer
geringen Größe bieten MEMS-Mikrofone eine
beeindruckende Audioqualität mit hervorragender
Empfindlichkeit und Signal-Rausch-Verhältnis.
Dadurch sind sie ideal für die Aufnahme klarer und
deutlicher Klänge.
Haltbarkeit
MEMS-Mikrofone
sind robust und weniger anfällig für Schäden durch
mechanische Stöße oder Vibrationen, weshalb sie sich
für raue Umgebungen und industrielle Anwendungen
eignen.
Hohe Zuverlässigkeit
Die
Zuverlässigkeit von MEMS übertrifft die eines
ähnlichen Systems, das aus diskreten Komponenten
zusammengesetzt ist. Aufgrund ihrer geringen Größe
und ihres geringen Gewichts sind mechanische
MEMS-Baugruppen bei Vibrationen und Stößen
leistungsfähiger.
Niedrige Kosten
Die niedrigen
Kosten von MEMS-basierten Geräten und
MEMS-Scanspiegeln sind auf ihre hohe
Verarbeitbarkeit und die Möglichkeit zurückzuführen,
sie mit handelsüblichen, funktionalen
Fertigkomponenten zu entwickeln. Das Spektrum der
MEMS-Anwendungen wächst ständig. Einige davon sind
bereits sichtbar, vor allem auf intelligenten
Straßen, wo MEMS in den Straßenbelag eingebettet
sind, um dessen Zustand zu überwachen.
Warum uns wählen
Qualitätskontrolle
In Bezug auf die Qualitätssicherung befolgt das Unternehmen strikt die Standards und Normen des Branchenqualitätssystems. Durch den Einsatz branchenführender Prüfgeräte wird die Produktqualität und ein guter Ruf sichergestellt.
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MEMS-Mikrofonausgangsschnittstellenkategorie
Analog Single-ended
Dies ist ein häufig
verwendetes Format und der Preis ist normalerweise niedriger
als beim Differentialtyp. Die Empfindlichkeit liegt im
Allgemeinen im Bereich von -38 dBV ~ 40 dBV. Alle
Audio-Codec-Mikrofoneingänge unterstützen dieses Signal und
machen es zum beliebtesten. Aber beim Entwurf der
PCB-Schaltung für diese Art von Mikrofon.
Analoges differentielles Ende
Dieser Typ
ist ungewöhnlich und der Preis ist normalerweise höher als
Single-Ended. Es handelt sich um einen Differenzausgang. Daher
erhöht sich auch die Empfindlichkeit um 6 dBV. Die
Empfindlichkeit wird im Allgemeinen auf etwa -32 dBV
eingestellt und kann auch den AOP (Acoustic Overload Point)
erhöhen. Die meisten Audio-Codec-Mikrofoneingänge unterstützen
dieses Signal ebenfalls.
PDM (Pulsdichtemodulation)
Es handelt
sich um die Hauptausgangsschnittstelle eines digitalen
MEMS-Mikrofons. Der L/R-Kanal teilt sich den Datenbus, sodass
für die Stereoübertragung des L/R-Kanals nur vier Leitungen
erforderlich sind. Es eignet sich auch für das
PCB-Layoutdesign tragbarer Geräte.
I2S (Integrierter Praktikumssound)
Dieses Standardformat für digitale serielle Audiobusse
wurde von Philips entwickelt, um Audiodaten zwischen digitalen
Audiogeräten zu übertragen. Der Bus wird explizit für die
Datenübertragung zwischen Audiogeräten verwendet und ist in
verschiedenen Multimediasystemen weit verbreitet. Die meisten
MCUs der Einstiegsklasse unterstützen keine
PDM-Schnittstellen, sondern grundlegende I2S-Schnittstellen.
Daher haben einige Mikrofonhersteller dennoch
I2S-MEMES-Mikrofone für Anwendungen ohne Audiocodec auf den
Markt gebracht.
TDM (Zeitmultiplex)
Dabei wird die
Nutzungszeit des Übertragungsmediums in mehrere feste
Zeitfenster aufgeteilt. Jedes Zeitfenster nimmt eine kurze
Zeitspanne ein (z. B. 20 ms) und wird als virtueller Kanal
betrachtet. Bei der Datenübertragung werden die beiden
miteinander verbundenen Parteien so eingestellt, dass sie
Daten in einem bestimmten Zeitfenster übertragen. Sie haben
das Recht, den Übertragungsvermittler für eine bestimmte Zeit
zu verwenden. Bei längerer Nutzung ist der gesamte
Übertragungsvermittler so, als ob mehrere Verbindungen
vorhanden wären, und sie senden gleichzeitig Daten.
Anwendung von MEMS-Mikrofonen
Smart-Home-Geräte
MEMS-Mikrofone werden in
intelligente Lautsprecher, virtuelle Assistenten und
Heimautomatisierungssysteme integriert. Sie ermöglichen
Sprachbefehle, sodass Benutzer Lichter, Thermostate und andere
intelligente Geräte mit gesprochenen Anweisungen steuern können.
Sicherheitssysteme
MEMS-Mikrofone werden in
Sicherheitskameras und Überwachungssystemen verwendet. Sie
zeichnen Audio auf, um Videoaufnahmen zu verbessern und dem
Sicherheitspersonal wertvolle Kontextinformationen zu liefern.
Fortschrittliche Modelle können bestimmte Geräusche erkennen, wie
z. B. zerbrechendes Glas oder Alarme, und entsprechende Reaktionen
auslösen.
Medizinische Geräte
In medizinischen
Anwendungen werden MEMS-Mikrofone in Geräten wie Hörhilfen und
Hörhilfen eingesetzt. Sie verbessern die Klangklarheit und das
Hörerlebnis für Personen mit Hörbehinderungen.
Industrielle Automatisierung
MEMS-Mikrofone
werden in industriellen Umgebungen verwendet, um Geräte zu
überwachen und Anomalien zu erkennen. Sie können ungewöhnliche
Geräusche oder Vibrationen in Maschinen erkennen und so auf
mögliche Probleme hinweisen, die Wartung oder Reparatur erfordern.
Unterhaltungselektronik
MEMS-Mikrofone sind
integrale Bestandteile von Unterhaltungselektronik wie
Digitalkameras und Camcordern. Sie zeichnen bei Videoaufnahmen
Audio in hoher Qualität auf und sorgen so dafür, dass die
aufgezeichneten Inhalte fesselnd und mitreißend sind.
Gaming-Zubehör
MEMS-Mikrofone werden in
Gaming-Peripheriegeräten wie Headsets und Mikrofonen verwendet.
Sie erfassen klare Sprachkommunikation beim Online-Gaming und
ermöglichen es den Spielern, effektiv Strategien zu entwickeln und
zu koordinieren.
Lehrmittel
MEMS-Mikrofone werden in
Lehrgeräten und Sprachlernwerkzeugen integriert. Sie ermöglichen
interaktive Lernerfahrungen und ermöglichen Schülern, die Sprache
zu üben und ihre Aussprache zu trainieren.
IoT-Geräte
MEMS-Mikrofone werden in
verschiedenen vernetzten Geräten im Ökosystem des Internets der
Dinge (IoT) verwendet. Sie können beispielsweise in intelligente
Haushaltsgeräte integriert werden, um Sprachbefehle zu empfangen,
wodurch diese Haushaltsgeräte Teil des Smart-Home-Netzwerks
werden.
Navigationssysteme
MEMS-Mikrofone werden in
Navigationsgeräten zur Erfassung gesprochener Anweisungen
eingesetzt. Sie verbessern das Benutzererlebnis durch die
Bereitstellung sprachgeführter Anweisungen, vor allem dann, wenn
die visuelle Führung eingeschränkt oder unsicher ist, wie etwa
beim Autofahren.
Vergleich zwischen MEMS-Mikrofonen und Elektret-Kondensatormikrofonen
MEMS-Mikrofone
Wegweisende Miniaturisierung und Präzision
MEMS-Mikrofone
zeichnen sich durch Kompaktheit, integrierte PCBs und ADCs,
niedrige Impedanz zur Rauschunterdrückung,
Vibrationsfestigkeit und kontinuierliche Weiterentwicklungen
aus, was sie ideal für platzbeschränkte Anwendungen macht,
die eine hochwertige Audioaufnahme erfordern.
Elektret-Kondensatormikrofone
Vielseitigkeit und zeitloser Charme
ECMs bleiben
aufgrund ihrer Legacy-Integration, vielfältigen
Konnektivitätsoptionen, Umweltverträglichkeit,
Richtungsflexibilität und Spannungstoleranz wertvoll. Sie
werden bevorzugt für nahtlose Upgrades und
Abwärtskompatibilität eingesetzt und eignen sich
hervorragend für verschiedene Szenarien mit etablierten
Designs.
Die Wahl zwischen MEMS-Mikrofonen und ECMs hängt von den genauen Anforderungen der Anwendung, den vorhandenen Systemen und den Umgebungsbedingungen ab. MEMS-Mikrofone bieten Kompaktheit und hohe Leistung, während ECMs Vielseitigkeit und Kompatibilität mit etablierten Designs bieten.
Komponenten eines MEMS-Mikrofons
Membran
Auf der Oberseite des Mikrofons befindet sich eine sehr dünne Folie, die normalerweise aus Metall oder Keramik besteht. Die Membran vibriert mit den Schwankungen des Schalls.
Rückplatte
Es befindet sich unterhalb der Membran und besteht normalerweise aus massivem Material. Auf der Rückplatte befindet sich eine Elektrode, die die Vibration der Membran erfasst.
Luftspalt
Ein winziger Spalt zwischen der Membran und der Rückplatte, in dem die Membran bei Tonschwankungen vibriert.
Stützstruktur
Eine stabile Rahmenstruktur zur Unterstützung der Membran und der Rückplatte.
Induktor
Ein auf einer Trägerstruktur angebrachtes elektronisches Gerät, das die Vibration der Membran misst und in ein elektrisches Signal umwandelt.
So wählen Sie ein MEMS-Mikrofon aus
Energieverbrauch
Der Stromverbrauch ist eine
der wichtigsten Designüberlegungen, insbesondere bei tragbaren und
handgehaltenen elektronischen Geräten. Daher ist die Auswahl
stromsparender MEMS-Mikrofone von entscheidender Bedeutung. Im
Vergleich zu herkömmlichen Mikrofonen verbrauchen MEMS-Mikrofone
weniger Strom, da alle Schaltkreise in einem einzigen IC-Gehäuse
untergebracht sind. Darüber hinaus verbrauchen analoge
MEMS-Sensoren aufgrund der geringeren Anzahl an Stufen weniger
Energie als digitale.
Maße
Die Mikrofongröße ist ein weiterer
wichtiger Aspekt beim Design moderner tragbarer elektronischer
Geräte. Elektronische Geräte werden täglich kleiner und der
verfügbare Platz ist ziemlich begrenzt. MEMS-Mikrofone sind in
dieser Hinsicht aufgrund ihres kleinen Formfaktors hervorragend
geeignet. Aus diesem Grund verwenden Hersteller diese Mikrofone in
Tablets, Mobiltelefonen, Smartwatches und anderen tragbaren
Geräten.
Grundrauschen
Rauschen, elektromagnetische
Störungen und Brummen sind die größten Herausforderungen bei
elektronischen Hochfrequenzschaltungen. Verzerrungen im
Ausgangssignal können zu fehlerhaften Ergebnissen und schlechter
Qualität führen. Der Rauschanteil im Ausgangssignal in einer
ruhigen Umgebung wird als Grundrauschen des Mikrofons bezeichnet.
Der Rauschpegel wirkt sich direkt auf das SNR des Mikrofons aus.
Analoge Mikrofone sind anfälliger für Rauschen als digitale
Mikrofone. MEMS-Mikrofone verfügen über integrierte
Signalaufbereitungsschaltungen, um Rauschen und Störungen zu
minimieren.
Verzerrung
Total Harmonic Distortion (THD)
ist die Abweichung eines Signals von seiner tatsächlichen
Wellenform. Signalverzerrungen in einem Audiosystem können zu
schlechter Klangqualität und Benutzererfahrung führen. Die
häufigste Ursache für Signalverzerrungen sind verschiedene Arten
von Rauschen und Interferenzen.
Frequenzgang
Der Frequenzgang ist die
Variation der Mikrofonempfindlichkeit bei unterschiedlichen
Frequenzen. Der typische Frequenzbereich, in dem MEMS-Sensoren
zufriedenstellend funktionieren, liegt zwischen 100 Hz und 10 kHz.
Daher bieten leistungsstarke MEMS-Mikrofone einen flachen
Frequenzgang über den gesamten hörbaren Bereich, d. h. 20 Hz bis
20 kHz.
Stromversorgungsunterdrückung
PSP ist ein
weiterer kritischer Faktor bei der Auswahl von MEMS-Mikrofonen.
Die Fähigkeit des Mikrofons, das Rauschen der Stromversorgung zu
unterdrücken, wird als PSR bezeichnet. Bei Mikrofonen minderer
Qualität tritt das Rauschen der Stromversorgung häufig im
Ausgangssignal auf, was zu Verzerrungen und Problemen mit der
Tonqualität führt.
Direktionalität
Mikrofone auf Platinenebene
können entweder omnidirektional oder unidirektional sein.
Unidirektionale Mikrofone können nur Schall aus einer bestimmten
Richtung aufnehmen, während omnidirektionale Mikrofone Schall aus
jeder Richtung empfangen können. Daher ist die Richtwirkung eines
Mikrofons ein entscheidender Faktor bei seiner Auswahl für eine
bestimmte Anwendung.
Ein MEMS-Mikrofon enthält sowohl elektronische als auch mechanische Komponenten auf derselben Halbleiterscheibe. Es verfügt über einen Wandler und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), die in einer einzigen Komponente integriert sind und durch eine mechanische Abdeckung geschützt sind. Ein kleines Loch in der Abdeckung oder der Basisplatine lässt den Ton in das Mikrofon. Es hat entweder einen oberen oder einen unteren Anschluss, je nachdem, ob sich das Loch in der oberen Abdeckung oder der Platine befindet.
Das Bild unten zeigt, dass es aus einem mikrogroßen druckempfindlichen Membranwandler und einer Vorverstärkerschaltung zur Signalaufbereitung besteht. Darüber hinaus verfügt die digitale Version des MEMS-Sensors über einen digitalen Konverter, um das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln.
Die druckempfindliche Mikromembran fungiert als einzelne
Platte eines Kondensators. Die ASIC-basierte
Ladungspumpenschaltung injiziert Ladung zwischen die
Kondensatorplatten.
Durch die Membranbewegung aufgrund
des Schalldrucks ändert sich die Kapazität, was wiederum zur
Erzeugung eines elektrischen Signals führt. Dieses
elektrische Audiosignal wird dann dem Vorverstärker
zugeführt.
Ein Impedanzkonverter reduziert die
Ausgangsimpedanz des Signals auf einen nutzbaren Wert, bevor
es in den Verstärker eingespeist wird.
Was sind die Trends und Entwicklungsrichtungen von MEMS-Mikrofonen auf dem Markt?
Höheres SNR
Die Leistung von MEMS-Mikrofonen
verbessert sich ständig. Die SNRs sind von 55 – 58 dB vor einigen
Jahren auf 63 – 66 dB heute gestiegen, was zu einer saubereren
Audioaufnahme führt und es ermöglicht, Mikrofone bei
gleichbleibender Klarheit über größere Entfernungen hinweg zu
verwenden. Automatische Spracherkennungsalgorithmen benötigen hohe
SNR-Werte, um gute Wortgenauigkeitsraten zu erreichen.
Höhere Schalldruckpegel
Viele
Mikrofonbenutzer fordern außerdem höhere akustische
Überlastungspunkte, um Verzerrungen in lauten Umgebungen zu
vermeiden. Verzerrungen durch Übersteuerung bei Schalldruckpegeln
über dem akustischen Überlastungspunkt können Aufnahmen in lauten
Umgebungen wie Rockkonzerten unbrauchbar machen.
Kleinere Packungsgrößen
Auch die
Gehäusegrößen von MEMS-Mikrofonen schrumpfen, da die Nachfrage der
Verbraucher nach dünneren, leichteren Produkten weiter steigt.
Frühe MEMS-Mikrofone hatten Gehäusegrößen von 3,76 mm x 4,72 mm x
1,25 mm, während heute Gehäusegrößen von 3 mm x 4 mm x 1 mm und
2,95 mm x 3,76 mm x 1 mm üblich sind. Neuere MEMS-Mikrofone sind
in Gehäusegrößen von 2,5 mm x 3,35 mm x 0,98 mm und 2,65 mm x 3,5
mm x 0,98 mm erhältlich. Dieser Trend wird sich wahrscheinlich
fortsetzen, obwohl es bei kleineren Mikrofongehäusen aufgrund der
schrumpfenden Größe der hinteren Kammer des Mikrofons schwieriger
wird, die Audioqualität beizubehalten oder zu verbessern.
Reduzierung von Umgebungsgeräuschen
Viele
Smartphones und Tablets verwenden mittlerweile mehr als ein
Mikrofon, um Funktionen wie Videoaufnahmen zu ermöglichen. Eine
weitere gängige Art, mehrere Mikrofone zu verwenden, ist die
Reduzierung von Umgebungsgeräuschen. Viele Smartphones verwenden
ein Mikrofon oben oder hinten am Telefon, um Umgebungsgeräusche zu
erkennen und diese von der Ausgabe der Sprachmikrofone zu
subtrahieren, um die Verständlichkeit zu verbessern. Mikrofone,
deren Hauptzweck die Videoaufnahme ist, werden häufig auch zur
Reduzierung von Umgebungsgeräuschen verwendet.
Strengere Kontrolle der Empfindlichkeit
Die
Leistungsalgorithmen, die für Funktionen wie Geräuschunterdrückung
und Strahlformung verwendet werden, gehen normalerweise davon aus,
dass die Empfindlichkeit der verwendeten Mikrofone gleich ist.
Daher beeinträchtigen Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den
Mikrofonen in einem Array die Leistung der Algorithmen.
Unternehmensprofil
Shenzhen Marquess Electronics Co., Ltd. wurde im Juli 2004 als Joint Venture der japanischen AOI Electric Motor Manufacturing Company gegründet und ist auf die Herstellung von ECM (Elektret-Kondensator-Mikrofonen) spezialisiert.
Unser Zertifikat
ISO 9001 2015,ISO 14001 2015,ISO 4500 12018,UL E473299,UL E473487
FAQ
F: Was ist ein MEMS-Mikrofon?
F: Wie unterscheidet sich ein MEMS-Mikrofon von herkömmlichen Mikrofonen?
F: Welche Vorteile bietet die Verwendung eines MEMS-Mikrofons?
F: In welchen Geräten findet man üblicherweise MEMS-Mikrofone?
F: Benötigen MEMS-Mikrofone zum Betrieb Phantomspeisung?
F: Sind MEMS-Mikrofone langlebiger als herkömmliche Mikrofone?
F: Können MEMS-Mikrofone hochwertige Audioaufnahmen machen?
F: Wie groß ist der Frequenzgangbereich von MEMS-Mikrofonen?
F: Sind MEMS-Mikrofone für Anwendungen zur Spracherkennung und Sprachsteuerung geeignet?
F: Bieten MEMS-Mikrofone Geräuschunterdrückungsfunktionen?
F: Können MEMS-Mikrofone zum Aufnehmen von Musik und Instrumenten verwendet werden?
F: Benötigen MEMS-Mikrofone eine besondere Handhabung oder Wartung?
F: Sind MEMS-Mikrofone empfindlich gegenüber Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit und Temperatur?
F: Wie hoch ist das typische Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von MEMS-Mikrofonen?
F: Können MEMS-Mikrofone in tragbare Geräte integriert werden?
F: Bieten MEMS-Mikrofone mehrere Richtcharakteristiken wie herkömmliche Mikrofone?
F: Wie hoch ist der Stromverbrauch von MEMS-Mikrofonen im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofonen?
F: Sind MEMS-Mikrofone im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofonen kostengünstig?
F: Können MEMS-Mikrofone für Telefonkonferenzen und Videoanrufe verwendet werden?
F: Welche Fortschritte können wir in der Zukunft in der MEMS-Mikrofontechnologie erwarten?