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I microfoni MEMS sostituiscono i tipi ad elettrete

I microfoni MEMS sostituiscono i tipi ad elettrete

La tecnologia MEMS sembra utilizzare pezzi sempre più grandi dal mercato tradizionale dei semiconduttori. E sebbene l'accelerometro sia la prima cosa che salti in mente quando si pensa ad un esempio, il rappresentante MEMS più diffuso è probabilmente il microfono.

Per diverso tempo, sul mercato si trovavano microfoni che utilizzavano la tecnologia MEMS, per lo più presenti in piccoli dispositivi portatili (telefoni cellulari) e il loro aspetto era dettato principalmente dal continuo desiderio di avere prodotti finiti più piccoli e più leggeri. Noi, per prima cosa, faremo un elenco dei vantaggi che questi nuovi microfoni hanno rispetto ai vecchi ad elettrete, e poi daremo un'occhiata a qualche particolarità.

Poiché l'elettronica fu intesa all’inizio come una professione, gli ingegneri si sono sempre confrontati con la prospettiva della miniaturizzazione. Oggigiorno che c’è una pressione costante a ridurre ancora di più, soprattutto i circuiti stampati (PCB) e il peso e le dimensioni del prodotto finito, i microfoni MEMS vanno perfettamente incontro a questi aspetti. L'onnipresente cellulare è forse l'esempio migliore di un prodotto in cui gli ingegneri devono fare progetti con il minimo ingombro dei componenti sui PCB e dove realizzare un prodotto finale piatto e sottile è un dichiarato obiettivo nella progettazione. La tecnologia MEMS viene incontro alle loro esigenze, poiché i microfoni fabbricati in virtù dei nuovi metodi brevettati forniscono un volume di circa 10 volte inferiore alle controparti ad elettrete.

microfoni MEMS

Dal punto di vista del layout costituiscono una grande conquista. Ma non solo questo, perché è già realizzabile l’unione tra la tecnologia CMOS e quella MEMS e quello che si può vedere su alcuni microfoni di nuova generazione è l'integrazione di circuiti aggiuntivi nello stesso pacchetto.

Tipicamente questo sarebbe o uno stadio di amplificazione o uno stadio di amplificazione seguito da un convertitore AD e una logica di spostamento dei dati digitali fuori dal microfono.
Basta confrontare questo:

con questo:

e vi farete un'idea di come la progettazione sia diventata più semplice. Pertanto, il guadagno sui PCB deriva non solo dal minore ingombro del microfono, ma anche dalla rimozione della necessità di ulteriori circuiti e, in caso di modelli ultra-compatti, interessa persino un pacchetto 0402 o 0201.

Volume più piccolo significa anche minor peso e questo è un aspetto che non deve essere ignorato in un design compatto. Per la stragrande maggioranza dei progetti, il prodotto finale ha caratteristiche di peso ben precise che i progettisti devono in ogni modo raggiungere, anche se riguarda per lo più gli ingegneri meccanici. L’utilizzo del microfono MEMS al posto di quello ad elettrete abbasserebbe in realtà il peso del prodotto finale all’incirca di qualche grammo.
La dimensione del PCB non è l'unico fattore che incide sul costo del prodotto finale che può essere influenzato da questi microfoni.

Tradizionalmente, i microfoni ad elettrete non erano in grado di sopportare temperature molto elevate senza che ne risentissero negativamente le loro caratteristiche acustiche o elettriche. Dal punto di vista della fabbricazione, questo significa che non poteva essere saldato sul PCB con tecnica reflow laddove erano richieste per almeno 10 secondi temperature come 260° C. In molti casi, tutti gli altri componenti del circuito potevano essere saldati con la tecnica reflow, ma poi per saldare questo particolare componente (in modo manuale o automatico) doveva essere inserita una speciale stazione.

I microfoni MEMS hanno eliminato questo svantaggio, poiché sono in grado non solo di resistere alle temperature di saldatura nel processo di reflow senza piombo, ma anche di sopportare nella progettazione temperature operative più alte (con MEMS è possibile ottenere facilmente elementi meccanici con -40° fino a 85°, mentre la famiglia MSM4C di Memstech è di fatto operativa fino al 100°). A seguire è possibile vedere un profilo della temperatura di reflow raccomandata per l’ADMP421 di Analog Devices e per la saldatura senza piombo la temperatura è indicata intorno ai 260°:

Tuttavia, non importa quanto buoni siano questi dispositivi e quanto sia importante il rapporto costo-risparmio, tutti noi sappiamo che alla fine tutto converge verso il più importante parametro elettrico ... il prezzo! Probabilmente i primi microfoni MEMS disponibili erano molto costosi. E non poteva essere altrimenti visto che si utilizzava una tecnologia nuova e la domanda era ancora scarsa (anche il primo mouse per PC all’inizio costava $ 10K).

La permanenza per un po' di tempo sul mercato, tuttavia, si è trasformata in un costo per un microfono MEMS non solo non compatibile, ma in molti casi anche inferiore a quello dei convenzionali microfoni ad elettrete. Una rapida ricerca su Digikey diede come risultato prezzi anche inferiori ad un euro al pezzo per quantitativi significativi (e questo ovviamente non era il meglio che si poteva ottenere).

I microfoni MEMS vengono prodotti con una nuova tecnologia e ogni società che li progetta e produce opera con metodi brevettati diversi. La Knowels Acustica, per esempio, progettò sia un back-plate che un diaframma sulla superficie del wafer di silicio, insieme a tutti i collegamenti elettrici necessari. Grazie ad un procedimento chimico, il diaframma è in parte fisicamente "staccato" dal resto del montaggio ed è quindi in grado di vibrare per risonanza con il suono circostante.

Dal momento che il diaframma e il back-plate in realtà rappresentano un condensatore, cambiando la distanza tra di loro nel ritmo del suono effettivamente si genera una variazione di carica nello stesso modello, che può essere convertito nella catena di trasformazione in segnale di variazione di tensione:

L’Akustica utilizza una cavità aerea all'interno del microfono stesso, al fine di ottenere la conversione elettricità-suono. La compagnia inoltre combina il design CMOS e MEMS sullo stesso wafer per produrre ciò che, come dice la pubblicità, è il più piccolo microfono al mondo:

Un aspetto importante nella progettazione dei microfoni MEMS è la capacità di far sì che il suono raggiunga l'elemento vibrante o risonante all'interno del dispositivo. Questo avviene attraverso un oblò acustico che opera nell'alloggiamento del dispositivo MEMS. Design innovativo significa che l’ingegnere del prodotto ha a disposizione una buona varietà di soluzioni di imballaggio, a seconda della posizione del dispositivo acustico nel prodotto finale. Nella telefonia mobile, per esempio, la sua posizione ideale sarebbe vicino alla bocca dell'utente, della stessa dimensione del PCB con tastiera. L’impulso ad ottenere cellulari più sottili e snelli, tuttavia, ha spinto i microfoni dall'altra parte del circuito assieme agli altri componenti elettronici "di alto profilo".

Questa sistemazione si è rivelata una pessima mossa poiché ha allungato notevolmente quello che viene chiamato il percorso acustico dal microfono al mondo esterno. Per conto di questo aspetto, alcuni produttori di microfoni MEMS hanno creato un oblò acustico sulla parte inferiore del pacchetto del microfono. Ciò significa che può essere montato sul lato opposto del PCB, purchè ci sia nel circuito l’oblò acustico corrispondente, esattamente sotto l’oblò del pacchetto stesso. In questo modo, è possibile montare il microfono sulla parte opposta della tastiera e ottenere un breve percorso acustico dall’ambiente al microfono (il SPM0404LE5H di Knowels Acoustic, per esempio, include quest’utile caratteristica).

Il mercato è pieno di produttori di microfoni MEMS. Uno dei più noti è Analog Devices, con più di 20 anni di esperienza nel MEMS. Questo consente loro di introdurre nel mercato il dispositivo con il profilo più piccolo (non dal punto di vista dell’ingombro, ma dell’altezza). Sono in grado di raggiungere l’1,1 mm di altezza per il loro ADMP421. La Wolfson Microelectronics, la Knowels Acoustic e la Memstech si avvicinano all’altezza di 1,1 mm, ma solo in modo irrisorio. Il loro vantaggio, tuttavia, consiste nel caso standard che hanno adottato (almeno, per alcuni dei loro prodotti): 3,76 mm x 2,95 mm x 1,1 mm.

Ciò significa che i loro prodotti sono compatibili, i software preinstallati (OEM) hanno una seconda sorgente per ogni componente sul PCB. Vi è anche un’altra misura standard del pacchetto, leggermente più grande: 4,72 mm x 3,76 mm x 1,1 mm, ma anche qui è meglio Analog Devices con il suo 0,1 mm di altezza, fornendo un valore nominale di 1 mm, con il suo ADMP401. L’Akustica immette nel mercato un microfono MEMS in un piccolo pacchetto di 2 mm x 2 mm x 1,25 mm. E' leggermente superiore agli altri, ma il suo ingombro è minimo.

Repost del 24 luglio 2009

 

 

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