La tecnologia MEMS per il settore audio

I microfoni e gli altoparlanti MEMS si rivolgono a tutte quelle applicazioni audio dove le piccole dimensioni, l'alta qualità del suono, l'affidabilità e la convenienza sono requisiti fondamentali.  Le soluzioni MEMS audio di ST sono progettate con tecniche di produzione innovative, con l'obiettivo di offrire elevate prestazioni hi-fi dal punto di vista della purezza acustica. 

Introduzione

La tecnologia MEMS offre robustezza e affidabilità per i microfoni e gli altoparlanti impiegati nei più svariati campi dell'automotive per l'implementazione del controllo vocale, ma anche nelle applicazioni industriali dove l'ambiente operativo richiede determinate condizioni di lavoro. La scienza dei materiali sta introducendo ulteriori modifiche strutturali nel package, al fine di realizzare sensori NEMS (Nano ElectroMechanical System) con ulteriore robustezza ed elasticità del materiale in grado di ottenere elevate vibrazioni con tecniche di acquisizione dati davvero efficienti.

Con lo sviluppo della tecnologia, i sensori sono diventati più integrati con altri componenti della catena di processing del segnale audio e la tecnologia MEMS consente ai microfoni di essere più piccoli e disponibili con uscite analogiche o digitali. I microfoni sono trasduttori che convertono onde di pressione acustica in segnali elettrici. L'uscita di un microfono MEMS non viene direttamente dall'elemento trasduttore. All'interno del package, il segnale del trasduttore viene inviato ad un preamplificatore, la cui prima funzione è rappresentata da un convertitore di impedenza per portare l'impedenza di uscita a valori accettabili quando il microfono è collegato ad una catena di acquisizione. Il circuito di uscita del microfono è anche implementato in questo preamplificatore. Per un microfono analogico MEMS, è fondamentalmente un amplificatore con una specifica impedenza di uscita. In un microfono MEMS digitale, invece, questo amplificatore è integrato con un convertitore analogico-digitale (ADC) per fornire un'uscita digitale in un formato standard PDM. I microfoni digitali consentono un percorso di acquisizione audio digitale dal microfono al processore, e vengono spesso utilizzati in applicazioni dove i segnali audio analogici sono sensibili alle interferenze. Questo offre un miglioramento nel parametro SNR (rapporto segnale/rumore ), con una maggiore flessibilità nel posizionamento del microfono (Figura 1).

Figura 1: Package di un dispositivo MEMS

La struttura del trasduttore è fondamentalmente un condensatore costituito da due piastre di silicio. Una piastra è fissa mentre l'altra è mobile. Ovvero un condensatore variabile con un'impedenza di uscita estremamente elevata nella gamma dei gigaohm. La superficie fissa è coperta da un elettrodo per renderla conduttiva e piena di fori acustici che consentono il passaggio del suono. La piastra mobile è in grado di muoversi in quanto è legata a un solo lato della sua struttura. Un foro di ventilazione permette all'aria compressa nella camera posteriore di scorrere e di conseguenza permette alla membrana di tornare indietro. Il corretto design micromeccanico influenza decisamente le prestazioni acustiche dei microfoni in termini di risposta in frequenza e SNR. ST produce microfoni utilizzando tecniche di livello industriale, ma ha anche sviluppato package innovativi per ottenere migliori prestazioni.

Anche gli altoparlanti MEMS rappresentano una tecnologia innovativa nel campo embedded, realizzando, di fatto, una tecnologia di comunicazione completa insiema al microfono verso il mondo esterno sia per la comunicazione ma soprattutto per l'interazione con i sistemi Mobile. Un altoparlante MEMS per generare onde sonore all'interno di uno spettro di lunghezza d'onda udibile, comprende una membrana distanziata dalla scheda di controllo con almeno un attuatore piezoelettrico per deviare la membrana stessa. L'unità di controllo avrà il compito di gestire  l'attuatore piezoelettrico.

Parametri

I microfoni basati sulla tecnologia MEMS offrono un'ottima qualità audio. Sono meno sensibili alle vibrazioni meccaniche, alle variazioni di temperatura e alle interferenze elettromagnetiche rispetto ai microfoni tradizionali. Il processo MEMS rende questi microfoni la soluzione stereo ideale ovunque si richiedano due microfoni perfettamente abbinati. La sensibilità è il segnale elettrico all'uscita del microfono ad una determinata pressione acustica come segnale di ingresso. Il riferimento della pressione acustica è 1 Pa o 94 dBSPL @ 1 kHz. Il livello di pressione sonora espresso in decibel, dBSPL = 20 * Log (P / Po) dove Po = 20 μPa è la soglia di udito. In questo caso 20 * log (1Pa / 20μPa) = 94 dBSPL. Per i microfoni analogici la sensibilità viene espressa in mVRMS / Pa o dBV / Pa,  per i microfoni digitali, invece, la sensibilità viene espressa in dBFS.

La direzionalità indica la variazione della risposta rispetto alla direzione di arrivo del suono. I microfoni MEMS di ST sono omnidirezionali, il che significa che non esiste alcun cambiamento di sensibilità in ogni diversa posizione nello spazio della sorgente del suono. La direzionalità può essere indicata in un asse cartesiano come variazione di sensibilità rispetto all'angolo o in un diagramma polare che mostra la risposta del modello di sensibilità nello spazio (Figura 2).

Figura 2: direzionalità di un microfono ominirezionale

Il rapporto segnale-rumore specifica il rapporto tra un dato segnale di riferimento e la quantità di rumore residua all'uscita del microfono. Il segnale di riferimento è il valore standard all'uscita del microfono quando la pressione sonora è 1Pa @ 1 kHz. Il segnale acustico in termini di rumore residuo è l'uscita del microfono in totale silenzio (il livello di rumore è misurato in un ambiente anecoico). Questo parametro include sia il rumore dell'elemento MEMS che l'ASIC: il contributo principale è dato dal sensore MEMS, mentre l'altro del circuito integrato può essere considerato trascurabile. Il range dinamico è la differenza tra il segnale minimo e massimo che il microfono è in grado di generare come uscita. Il segnale minimo è il più piccolo segnale audio che il microfono può generare distintamente dal rumore. In altre parole, il segnale minimo è equivalente al rumore residuo. Il segnale audio massimo, invece, è quello che il microfono può generare senza distorsioni. È anche chiamato punto di sovraccarico acustico (AOP). Il punto di sovraccarico acustico è definito anche come il livello del suono in cui il microfono non è in grado di distinguere efficacemente la differenza tra il segnale acustico effettivo e il rumore.  Con l'introduzione di microfoni MEMS, è stato possibile costruire dispositivi di ascolto più piccoli che supportano l'alto AOP. Piccoli microfoni possono essere incorporati in Smartphone per registrare suoni e video in un ambiente incredibilmente rumoroso come quello dei concerti.

La risposta in frequenza di un microfono indica la variazione di sensibilità attraverso la banda audio. Questo parametro descrive anche la deviazione del segnale di uscita dal riferimento di 0 dB. In genere, il riferimento per questa misura è esattamente la sensibilità del microfono a 0 dB = 94 dBSPL @ 1 kHz. La risposta in frequenza di un microfono può variare sulla banda audio in funzione di tre parametri: il foro di ventilazione, la geometria della camera anteriore e di quella posteriore. Il foro di ventilazione e la geometria della camera posteriore hanno un impatto sul comportamento a basse frequenze mentre il comportamento a frequenze elevate dipende solo dalla geometria della camera anteriore. Il comportamento ad alte frequenze può essere rappresentato da un picco di risonanza causato dall'effetto Helmholtz (figura 3).

Figura 3: esempio di risposta in frequenza di un microfono MEMS

Ulteriori parametri sono il THD che misura la distorsione del segnale in uscita e PSRR che indica la capacità dell'ASIC di rifiutare il rumore aggiunto alla tensione di alimentazione. Per valutare quest'ultimo parametro, all'alimentazione viene aggiunto un tono di tensione di ingresso VIN = 100 mVp-p @ 217 Hz (frequenza di commutazione GSM nelle applicazioni telefoniche) e viene quindi misurata l'ampiezza dell'uscita. Il rumore aggiunto può essere un'onda quadra o un'onda sinusoidale, quella quadra è considerato il caso peggiore relativamente alla misura. PSRR espresso in dB è il rapporto tra l'ampiezza residua del rumore all'uscita del microfono (VOUT @ 217 Hz) e il segnale spurio aggiunto sulla tensione di alimentazione.

Le soluzioni MEMS audio

Considerando l'elevata tecnologia di imaging contenuta negli smartphone, appare abbastanza evidente la possibilità di migliorare anche le prestazioni sonore con microfoni e altoparlanti ad elevata efficienza che solo la tecnologia MEMS può offrire. Oltre ad una buona qualità vocale, i sistemi MEMS audio possono offrire un livello hi-fi all'altezza dei più sofisticati sistemi audio.

Il portafoglio di ST comprende anche MP34DT05-A (digital bottom port), un microfono MEMS digitale ultracompatto, a basso consumo, omnidirezionale, costruito con un sensore capacitivo e un'interfaccia IC. Il valore di SNR pari a 64 dB lo rende adatto anche per applicazioni oltre quelle tipiche del consumatore, come i fonometri e altre che richiedono un'elevata gamma dinamica. L'interfaccia IC è prodotta usando un processo CMOS in grado di fornire un segnale digitale nel formato PDM.  MP34DT05-A è disponibile in un package schermato EMI, SMD-compliant e garantito per un'intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C. Nella tabella 1 riportiamo le principali caratteristiche del MP34DT05-A. L'elemento di rilevamento è il sensore acustico costituito da una piastra mobile e una piastra fissa posta in un piccolo circuito di silicio. Questo sensore trasforma la pressione sonora in variazioni della capacità accoppiata tra queste due piastre (figura 4).

Figura 4: Pattern del MP34DT05-A

Per soddisfare i requisiti ambientali, ST offre questi dispositivi in diversi gradi di package ECOPACK, a seconda del loro livello di conformità ambientale. Le specifiche ECOPACK, le definizioni delle classi e lo stato del prodotto sono disponibili all'indirizzo www.st.com. Le principali caratteristiche possono essere riassunte nei seguenti punti:

  • Single supply voltage.
  • Low power consumption.
  • AOP = 122.5 dBSPL.
  • 64 dB signal-to-noise rati.
  • Omnidirectional sensitivity.
  • –26 dBFS ± 3 dB sensitivit.
  • PDM output.
  • HCLGA package:
    • Top-port design
    • SMD-compliant
    • EMI-shielded
    • ECOPACK®, RoHS, and “Green”

MP23AB01DH (analog bottom port) è una soluzione ST MEMS analogica con un elemento di sensing capacitivo e un'interfaccia IC di gestione elettronica.  MP23AB01DH ha una sensibilità di 38 dB ± 1 dB, un punto di sovraccarico acustico di 135 dBSPL con un rapporto segnale / rumore minimo di 65 dB.  MP23AB01DH ha un'uscita completamente differenziale per ridurre al minimo il rumore nella modalità comune. E' disponibile in un package conforme alla saldatura a riflusso ed è garantito per un'intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C (figura 5).

Figura 5: schema generale con il sensore MEMS MP23AB01DH

 

Tabella 1: caratteristiche del MP34DT05

Le principali caratteristiche possono essere riassunte nei seguenti punti:

  • Single supply voltage operation.
  • Fully differential output.
  • Omnidirectional sensitivity.
  • High signal-to-noise ratio.
  • High bandwidth.
  • Package compliant - reflow soldering.
  • High RF immunity.
  • ECOPACK® , RoHS, “Green” compliant.

L'immunità RF, o la suscettibilità RF, è una considerazione di design importante nel mondo audio dei telefoni cellulari, dei lettori MP3 e dei computer portatili. Il Bluetooth per esempio sta proliferando come sostituzione del cavo per cuffie e microfoni in applicazioni mobile. La LAN wireless (WLAN), usando il protocollo IEEE 802.11b / g, è praticamente uno standard nei computer portatili di oggi. Oggi l'ambiente RF denso solleva preoccupazioni riguardo alla suscettibilità del circuito elettronico e sull'integrità del sistema complessivo. Per evitare vari problemi, un progettista di sistema deve comprendere appieno le limitazioni dell'amplificatore IC selezionato e del rispettivo layout PCB.

Conclusioni e considerazioni

I microfoni vengono utilizzati principalmente per convertire l'energia acustica in energia elettrica in una vasta gamma di applicazioni, che vanno da quelle a livello di consumo, come gli smartphone, alle applicazioni su larga scala come nelle industrie e nel settore automotive.  I microfoni sono utilizzati principalmente per il riconoscimento e la trasmissione vocale, e il riconoscimento e la riduzione del rumore in numerose applicazioni di rilevamento. Ad esempio, sono utilizzati nelle automobili per l'assistenza ai sistemi infotainment e in altre applicazioni di sicurezza stradale, oltre a sistemi medici quali stetoscopi e dispositivi nel campo militare. Inoltre, con il recente sviluppo della tecnologia MEMS e l'emergere di ambienti connessi IoT, in un singolo dispositivo vengono implementati più microfoni per diverse funzionalità.  Gli analisti stimano un mercato dei microfoni MEMS a circa 1,81 miliardi di dollari entro il 2020 con un CAGR del 7,5%. I microfoni MEMS consentono un deciso miglioramento della qualità del suono nelle applicazioni con più microfoni disposti come array. Tali matrici di microfoni, facilitati dal piccolo fattore di forma, una maggiore corrispondenza di sensibilità e una ottima risposta in frequenza, consentono l'implementazione di tecniche per l'annullamento dell'eco, nonché l'implementazione di una tecnologia di elaborazione audio che aiuta a isolare un suono. Queste caratteristiche sono preziose con l'uso crescente di telefoni cellulari e di altri dispositivi in ambienti rumorosi e incontrollabili. L'innovazione brevettata consente di risparmiare spazio e di aumentare la durata nelle applicazioni professionali. I microfoni MEMS di ST sono disponibili in diversi package e adatti per l'assemblaggio su schede a circuito stampato che semplificano la progettazione dei dispositivi di consumo vincolati in termini di dimensione del PCB.

 

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3 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 12 settembre 2017
  2. Luca Giuliodori Luca Giuliodori 13 settembre 2017

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