MEMS vs. microphone électret à condensateur : quelle technologie de microphone devriez-vous utiliser ?

Peut-être vous souvenez-vous de la campagne marketing d'il y a quelques années avec la phrase, « Pouvez-vous m'entendre maintenant ? » De plus en plus d'appareils conçus aujourd'hui, des objets connectés aux assistants domestiques, sont sollicités pour « entendre » leur environnement. Le microphone approprié permet aux applications de capter avec précision presque n'importe quel son, les deux technologies les plus courantes pour la construction de microphones étant les MEMS et les électrets à condensateur. Bien que les deux technologies fonctionnent sur des principes similaires, il existe de nombreux cas d'utilisation pour choisir l'une plutôt que l'autre. Avec cela à l'esprit, nous examinerons les bases des microphones MEMS et à électret à condensateur, comparerons les différences entre ces technologies et exposerons les avantages de chaque solution.

Notions de base sur le microphone MEMS

Les microphones MEMS sont construits avec un composant MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) placé sur une carte de circuit imprimé (PCB) et protégé par un couvercle mécanique. Un petit trou est fabriqué dans le boîtier pour permettre au son d'entrer dans le microphone et est soit désigné comme à port supérieur si le trou est dans le couvercle supérieur, soit à port inférieur si le trou est dans le PCB. Le composant MEMS est souvent conçu avec un diaphragme mécanique et une structure de montage créée sur une puce semi-conductrice.

La membrane MEMS forme un condensateur et les ondes de pression sonore provoquent le mouvement de la membrane. Les microphones MEMS contiennent généralement une deuxième puce à semi-conducteurs qui fonctionne comme un préamplificateur audio, convertissant la variation de la capacitance des MEMS en un signal électrique. La sortie du préamplificateur audio est fournie à l'utilisateur si un signal de sortie analogique est souhaité. Si un signal de sortie numérique est souhaité, alors un convertisseur analogique-numérique (ADC) est inclus sur la même puce que le préamplificateur audio. Un format courant utilisé pour le codage numérique dans les microphones MEMS est la modulation par densité d'impulsions (PDM), qui permet une communication avec seulement une horloge et une seule ligne de données. Le décodage du signal numérique au récepteur est simplifié grâce au codage à un seul bit des données.

Principes de base du microphone à condensateur électret

Les microphones à condensateur électret (ECM) sont construits comme indiqué dans le schéma ci-dessous.

Une membrane électret (matériau avec une charge de surface fixe) est espacée près d'une plaque conductrice, et similaire aux microphones MEMS, un condensateur se forme avec l'espace aérien comme diélectrique. La tension à travers le condensateur varie à mesure que la valeur de la capacitance change en raison des ondes de pression sonore déplaçant la membrane électret, ΔV = Q/ ΔC. Les variations de tension du condensateur sont amplifiées et mises en tampon par un JFET à l'intérieur du boîtier du microphone. Le JFET est généralement configuré dans une configuration à source commune, tandis qu'une résistance de charge externe et un condensateur de blocage continu sont utilisés dans le circuit d'application externe.

Différences dans les technologies de microphone

Il y a de nombreux éléments à prendre en compte lors du choix entre un microphone ECM et un microphone MEMS. La part de marché des microphones MEMS continue de croître rapidement en raison des nombreux avantages offerts par cette technologie plus récente. Par exemple, les applications avec des contraintes d'espace trouveront les petites tailles de boîtier disponibles pour les microphones MEMS attractives, tandis qu'une réduction à la fois de la surface PCB et du coût des composants peut être réalisée grâce aux circuits analogiques et numériques inclus dans la construction du microphone MEMS. La faible impédance de sortie des microphones MEMS analogiques et les sorties des microphones MEMS numériques sont idéales pour les applications dans des environnements électriquement bruyants. Dans les environnements à fortes vibrations, l'utilisation de la technologie de microphone MEMS peut réduire le niveau de bruit indésirable introduit par la vibration mécanique. De plus, la technologie de fabrication des semi-conducteurs et l'inclusion de préamplificateurs audio permettent de fabriquer des microphones MEMS avec des caractéristiques de performance étroitement appariées et stables en température. Ces caractéristiques de performance serrées sont particulièrement bénéfiques lorsque les microphones MEMS sont utilisés dans des applications en réseau. Pendant la fabrication du produit, les microphones MEMS peuvent également être facilement manipulés par des machines de placement et tolérer les profils de température de soudure par refusion.   Bien que les microphones MEMS gagnent rapidement en popularité, il existe encore des applications où un microphone électret à condensateur peut être préféré. De nombreuses conceptions héritées ont utilisé des ECM, et ainsi, si le projet est une simple mise à niveau d'une conception existante, il peut être préférable de continuer à utiliser un ECM. Les options de connexion d'un ECM au circuit d'application incluent des broches, des fils, des SMT, des pastilles de soudure et des contacts à ressort, offrant aux ingénieurs une flexibilité supplémentaire dans la conception. Si la protection contre la poussière et l'humidité est un problème, il est facile de trouver des offres ECM avec des degrés de protection élevés (IP) en raison de leur taille physique plus grande. Pour les projets nécessitant une sensibilité spatiale non uniforme, des produits ECM sont disponibles avec directionnalité intrinsèque, soit unidirectionnelle, soit anti-bruit, tandis que la large plage de tension de fonctionnement des ECM peut être la solution préférée dans les produits avec des rails de tension faiblement régulés.

Sélection de la technologie de microphone appropriée pour votre projet

La décision d'utiliser des microphones à condensateur électret par rapport aux microphones MEMS dépendra des exigences de votre projet. Bien que les microphones MEMS continuent de gagner en popularité grâce à leurs nombreux avantages inhérents, les ECM sont encore utilisés dans une variété d'applications grâce à une gamme plus large d'options d'emballage et de directivité. Quelle que soit la technologie choisie, Same Sky continuera de développer et d'offrir une large gamme de produits de microphones pour permettre à votre projet de 'entendre' les sons requis.