MEMS vs. Elektretkondensator: Welche Mikrofontechnologie sollten Sie verwenden?

Vielleicht erinnern Sie sich an die Marketingkampagne von vor einigen Jahren mit dem Satz "Hören Sie mich jetzt?". Immer mehr Geräte, die heute entworfen werden, von Wearables bis hin zu Home-Assistenten, sollen ihre Umgebung "hören". Das richtige Mikrofon ermöglicht es Anwendungen, nahezu jeden Klang präzise zu erfassen, wobei die beiden am häufigsten verwendeten Technologien zur Konstruktion von Mikrofonen MEMS und Elektretkondensator sind. Obwohl die beiden Technologien auf ähnlichen Prinzipien basieren, gibt es viele Anwendungsfälle, bei denen man die eine der anderen vorzieht. Mit diesem Wissen im Hinterkopf werden wir die Grundlagen von MEMS- und Elektretkondensator-Mikrofonen erläutern, die Unterschiede zwischen den Technologien vergleichen und die Vorteile jeder Lösung darstellen.

Grundlagen von MEMS-Mikrofonen

MEMS-Mikrofone werden mit einer MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) Komponente konstruiert, die auf einer Leiterplatte (PCB) platziert und mit einem mechanischen Schutzgehäuse versehen ist. Im Gehäuse wird ein kleines Loch eingearbeitet, um den Schall in das Mikrofon zu lassen. Es wird entweder als top-ported bezeichnet, wenn das Loch in der oberen Abdeckung ist, oder als bottom-ported, wenn das Loch in der Leiterplatte ist. Die MEMS-Komponente wird oft mit einem mechanischen Diaphragma und einer Montagestruktur auf einem Halbleiter-Chip entworfen.

Das MEMS-Membran bildet einen Kondensator, und Schalldruckwellen verursachen eine Bewegung der Membran. MEMS-Mikrofone enthalten typischerweise einen zweiten Halbleiter-Chip, der als Audio-Vorverstärker fungiert und die sich ändernde Kapazität des MEMS in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Ausgang des Audio-Vorverstärkers wird dem Benutzer bereitgestellt, wenn ein analoges Ausgangssignal gewünscht wird. Falls ein digitales Ausgangssignal gewünscht wird, ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC) auf demselben Chip wie der Audio-Vorverstärker integriert. Ein häufig verwendetes Format für die digitale Kodierung in MEMS-Mikrofonen ist die Pulsdichtemodulation (PDM), die die Kommunikation nur mit einer Uhr und einer einzigen Datenleitung ermöglicht. Die Dekodierung des digitalen Signals beim Empfänger wird durch die Ein-Bit-Kodierung der Daten vereinfacht.

Grundlagen von Elektret-Kondensatormikrofonen

Elektret-Kondensatormikrofone (ECM) sind wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt konstruiert.

Eine Elektret-Membran (Material mit einer festen Oberflächenladung) ist in geringem Abstand zu einer leitfähigen Platte angeordnet und bildet, ähnlich wie bei MEMS-Mikrofonen, einen Kondensator, wobei der Luftspalt als Dielektrikum dient. Die Spannung über dem Kondensator variiert, da sich der Wert der Kapazität durch Schallwellen, die die Elektret-Membran bewegen, ändert, ΔV = Q/ ΔC. Die Kondensatorspannungsvariationen werden von einem im Mikrofongehäuse integrierten JFET verstärkt und gepuffert. Der JFET ist typischerweise in einer Source-Gemeinschaftskonfiguration angeordnet, während ein externer Lastwiderstand und ein Gleichspannungs-Blockierungskondensator in der externen Anwendungsschaltung verwendet werden.

Unterschiede in Mikrofontechnologien

Es gibt viele Überlegungen, wenn man zwischen einem ECM und einem MEMS-Mikrofon wählt. Der Marktanteil für MEMS-Mikrofone wächst aufgrund der vielen Vorteile dieser neueren Technologie rasant. Anwendungen mit begrenztem Platzangebot finden die kompakten Gehäusegrößen der MEMS-Mikrofone attraktiv, während sowohl eine Reduzierung der PCB-Fläche als auch der Komponenten-Kosten dank der in der MEMS-Mikrofonkonstruktion enthaltenen analogen und digitalen Schaltungen realisiert werden kann. Der relativ niedrige Ausgangswiderstand von analogen MEMS-Mikrofonen und die Ausgänge von digitalen MEMS-Mikrofonen sind ideal für Anwendungen in elektrisch lärmbelasteten Umgebungen. In stark vibrierenden Umgebungen kann die Verwendung der MEMS-Mikrofontechnologie das Niveau unerwünschter Geräusche, die durch die mechanische Vibration entstehen, reduzieren. Darüber hinaus ermöglicht die Halbleiterfertigungstechnologie und die Einbeziehung von Audiovorverstärkern die Herstellung von MEMS-Mikrofonen mit genau abgestimmten und temperaturstabilen Leistungsmerkmalen. Diese engen Leistungsmerkmale sind besonders vorteilhaft, wenn MEMS-Mikrofone in Array-Anwendungen eingesetzt werden. Während der Produktfertigung können MEMS-Mikrofone auch problemlos von Bestückungsautomaten gehandhabt werden und reflow-Lötprofilen standhalten.   Obwohl MEMS-Mikrofone schnell an Beliebtheit gewinnen, gibt es immer noch Anwendungen, bei denen ein Elektretkondensatormikrofon bevorzugt werden könnte. Viele ältere Designs haben ECMs verwendet, und daher kann es das Beste sein, wenn das Projekt ein einfaches Upgrade eines bestehenden Designs ist, weiterhin ein ECM zu verwenden. Optionen zum Anschließen eines ECMs an die Anwendungsschaltung umfassen Pins, Drähte, SMT, Lötpads und Federkontakte, wodurch Ingenieuren zusätzliche Designflexibilität geboten wird. Wenn Schutz vor Staub und Feuchtigkeit ein Thema ist, ist es einfach, ECM-Angebote mit hohen Ingress Protection (IP)-Ratings aufgrund ihrer größeren physischen Größe zu finden. Für Projekte, die eine nicht einheitliche räumliche Empfindlichkeit erfordern, sind ECM-Produkte mit intrinsischer Richtwirkung erhältlich, entweder unidirektional oder geräuschunterdrückend, während der breite Betriebsspannungsbereich von ECMs die bevorzugte Lösung in Produkten mit schwach regulierten Spannungsschienen sein kann.

Auswahl der geeigneten Mikrofontechnologie für Ihr Projekt

Die Entscheidung, ob Elektret-Kondensatormikrofone oder MEMS-Mikrofone verwendet werden sollen, hängt von den Anforderungen Ihres Projekts ab. Während MEMS-Mikrofone aufgrund ihrer vielen Vorteile weiter an Beliebtheit gewinnen, werden ECMs in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, dank eines breiteren Spektrums an Gehäuse- und Richtungsoptionen. Unabhängig von der gewählten Technologie wird Same Sky weiterhin eine breite Palette von Mikrofonprodukten entwickeln und anbieten, um es Ihrem Projekt zu ermöglichen, die erforderlichen Klänge zu "hören".