I microfoni Mems e le loro configurazioni beamforming

Sempre più dispositivi che vengono progettati oggi, dagli indossabili agli assistenti domestici, hanno la necessità di "ascoltare" il loro ambiente circostante. Il microfono corretto consente alle applicazioni di catturare con precisione qualsiasi suono. Oggi le due tecnologie maggiormente utilizzate per la costruzione di microfoni sono la MEMS e a condensatore elettrete. Sebbene le due tecnologie operino con principi simili, ci sono molti casi d'uso per i quali uno o l'altro sono una scelta migliore. Con questo in mente, esamineremo le nozioni di base sui microfoni MEMS e a condensatore elettrete, confrontando le differenze tra le tecnologie e i vantaggi di ciascuna soluzione. Ci soffermeremo poi sui MEMS descrivendo le principali configurazioni di array di microfoni per applicazioni beamforming.

Introduzione

L'attuale popolarità degli assistenti digitali domestici e i dispositivi di navigazione con abilitazione vocale sono solo un paio di esempi che promettono di dare il via ad una tremenda crescita nell'elettronica a comando vocale. La tecnologia MEMS è pronta per dominare la quota di mercato nello spazio del microfono, risulta quindi utile esaminare le proprietà dei MEMS in un confronto con l'altro concorrente di mercato, i microfoni a condensatore elettrete. In Figura 1 vengono mostrati due esempi di microfoni a condensatore elettrete e a tecnologia MEMS.

Figura 1: esempi di microfoni a condensatore elettrete (a sinistra) e a tecnologia MEMS (a destra)

I microfoni MEMS sono costituiti da un sistema MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) posto su un circuito stampato (PCB) e protetto con una copertura meccanica. Un piccolo foro viene fabbricato nell'involucro per consentire il passaggio del suono nel microfono. Il foro può essere praticato sia nella parte superiore della copertura che sul fondo del PCB. Il componente MEMS è spesso progettato con un diaframma meccanico e struttura di montaggio creata su un die a semiconduttore. Il diaframma MEMS forma un condensatore e le onde sonore di pressione causano il movimento del diaframma. I microfoni MEMS contengono tipicamente un secondo die a semiconduttore che funziona come un preamplificatore audio, convertendo la capacità mutevole del MEMS in un segnale elettrico. L'uscita del preamplificatore audio è fornita all'utente se il segnale di uscita desiderato è di tipo analogico. Se invece si necessita di un segnale di uscita digitale, un convertitore analogico-digitale (ADC) è incluso sullo stesso die del preamplificatore audio. Un formato comune utilizzato per la codifica digitale nei microfoni MEMS è la modulazione della densità dell'impulso (PDM), che consente la comunicazione con un solo segnale di clock e una singola linea di dati. La decodifica del segnale digitale al ricevitore è semplificata grazie alla codifica a bit singolo dei dati.

I microfoni a condensatore a elettrete (ECM) presentano un diaframma a elettrete (materiale con una carica superficiale fissa Q) distanziato ma vicino ad una piastra conduttrice, e similmente al microfono MEMS, un condensatore si viene a formare con l'aria come dielettrico. Le onde sonore che muovono il diaframma dell'elettrete modificano la capacità (ΔC) e quindi modificano la tensione (ΔV) ai capi del condensatore: ΔV = Q/ΔC. Le variazioni di tensione ai capi del condensatore sono amplificate e bufferizzate da un JFET interno all'alloggiamento del microfono. Il JFET è tipicamente configurato in una configurazione a source comune, mentre un resistore di carico e un condensatore per bloccare la tensione continua discreti sono utilizzati nel circuito di applicazione esterno.

ECM o MEMS ?

Ci sono molte considerazioni da fare quando si seleziona tra un microfono ECM o uno MEMS. La quota di mercato dei microfoni MEMS continua a crescere rapidamente a causa di molti vantaggi offerti da questa nuova tecnologia. Vediamo alcuni dei vantaggi offerti dai MEMS:

Dimensioni e costo - le applicazioni con spazio limitato troveranno interessanti le dimensioni (Figura 2) dei pacchetti disponibili per i microfoni MEMS, mentre una riduzione sia della superficie del circuito stampato che del costo del componente può essere realizzata grazie a circuiti analogici e digitali inclusi nella costruzione del microfono MEMS.
Immunità al rumore - la relativamente bassa impedenza di uscita sia dei microfoni analogici che digitali rendono i microfoni MEMS ideali per applicazioni in ambienti elettricamente rumorosi. In ambienti con forti vibrazioni, l'uso della tecnologia MEMS può ridurre il livello di rumore indesiderato introdotto dalla vibrazione meccanica.
Performance - la tecnologia di fabbricazione dei semiconduttori e l'inclusione di preamplificatori audio consente la produzione di microfoni MEMS con caratteristiche prestazionali perfettamente bilanciate e termostabili. Queste stringenti caratteristiche prestazionali sono particolarmente utili quando i microfoni MEMS vengono utilizzati in applicazioni di array.

Figura 2: dimensioni di un microfono MEMS comparate ad una moneta

Sebbene i microfoni MEMS stiano crescendo rapidamente in popolarità, ci sono ancora applicazioni dove un microfono a condensatore a elettrete può essere preferibile:

Continuità - molti vecchi progetti utilizzavano gli ECM e, quindi, se si necessita di un semplice aggiornamento a un progetto esistente, potrebbe essere meglio continuare ad usare un ECM.
Flessibilità - opzioni per il collegamento di un ECM al circuito dell'applicazione include pin, fili, SMT, piazzole di saldatura e contatti a molla, fornendo ulteriore flessibilità di progettazione.
Protezione da polvere e umidità - è facile trovare offerte ECM con rating IP (Ingress Protection) elevati a causa delle dimensioni fisiche maggiori.
Direzionalità intrinseca - per progetti che richiedono una sensibilità spaziale non uniforme, i prodotti ECM sono disponibili con direzionalità intrinseca, sia unidirezionale che a cancellazione del rumore.
Range di tensione - l'ampio range operativo di tensione degli ECM può essere la soluzione migliore in prodotti con linee di tensione debolmente regolate.

A seconda delle situazioni la scelta cadrà sull'una o l'altra tecnologia, anche se è quasi inutile affermare che i MEMS rappresentano il futuro. Proprio per questo motivo andremo ora ad analizzare alcune configurazioni dei microfoni MEMS.

Array di microfoni MEMS

I microfoni sono utilizzati in una varietà di applicazioni per convertire i suoni audio in segnali elettrici. Microfoni MEMS, che presentano una direttività omnidirezionale, raccolgono i suoni in ugual misura da qualsiasi direzione. Il segnale acustico che viene convertito in segnale elettrico contiene sempre al suo interno anche rumori indesiderati, oltre ai suoni di interesse. Gli array di microfoni MEMS e l'elettronica associata possono essere impiegati per migliorare la qualità del suono che viene rilevato. Questi array sono progettati per creare una risposta direzionale, nota anche come beamforming (in modo analogo al beamforming per le antenne), che filtra il rumore indesiderato ed elabora i suoni provenienti dalle direzioni desiderate. Il rapporto tra il suono desiderato (segnale) e i suoni indesiderati (rumore) è definito come il rapporto segnale rumore (SNR). È possibile utilizzare un array di microfoni MEMS per migliorare il suono desiderato e per ridurre i suoni indesiderati e quindi migliorare l'SNR del sistema. [...]

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