Microfone MEMS
Microfones MEMS são microfones produzidos usando tecnologia de processamento de sistema microeletromecânico. Microfones MEMS também são comumente chamados de chips de microfone, microfones de silício, que são efetivamente gravados em pastilhas de silício semicondutoras. A membrana removível sensível à pressão (septo) é gravada atrás da placa perfurada fixa. A placa de retenção perfurada e o diafragma trabalham juntos para formar um capacitor (muito parecido com o design de um microfone condensador). Como a maioria das tecnologias MEMS, os microfones MEMS são fabricados na linha de produção usando pastilhas de silício semicondutoras e processos altamente automatizados. Diferentes camadas de diferentes materiais são empilhadas sobre a pastilha de silício e, em seguida, o material indesejado é gravado. Uma vez que a gravação esteja completa, o elemento transdutor do microfone MEMS tem um diafragma móvel, uma placa fixa, mas perfurada, e um invólucro circundante. ASICs (circuitos integrados específicos da aplicação) são projetados para trabalhar com os elementos transdutores de microfones MEMS. Ele usa uma bomba de carga para colocar uma carga fixa entre a placa de fixação e o filme do microfone. ASICs são microchips especializados.
Vantagens do microfone MEMS
Tamanho importa
Os microfones
MEMS são incrivelmente compactos, o que os torna
adequados para aplicações onde o espaço é limitado.
Eles são comumente usados em smartphones, tablets
e dispositivos vestíveis, onde a miniaturização é
crítica.
Eficiência energética
Esses
microfones consomem o mínimo de energia, o que é
crucial para dispositivos portáteis com capacidade
limitada de bateria. Isso garante vida útil
estendida da bateria para seus gadgets.
Som de alta qualidade
Apesar
do seu tamanho pequeno, os microfones MEMS oferecem
qualidade de áudio impressionante, com excelente
sensibilidade e relações sinal-ruído. Isso os torna
ideais para capturar som nítido e claro.
Durabilidade
Os microfones
MEMS são robustos e menos propensos a danos por
choque mecânico ou vibração, o que os torna
adequados para ambientes hostis e aplicações
industriais.
Alta fiabilidade
A
confiabilidade do MEMS supera a de um sistema
similar montado a partir de componentes discretos.
Devido ao seu pequeno tamanho e peso, os conjuntos
mecânicos MEMS têm melhor desempenho em condições de
vibração e impacto.
Baixo custo
O baixo custo dos
dispositivos baseados em MEMS e do espelho de
escaneamento MEMS pode ser atribuído à sua alta
processabilidade e à capacidade de projetar usando
componentes acabados funcionalmente disponíveis
comercialmente. A gama de aplicações MEMS está em
constante expansão. Algumas delas já são visíveis,
principalmente em estradas inteligentes, onde MEMS
são incorporados ao pavimento para monitorar sua
condição.
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Categoria de interface de saída de microfone MEMS
Analógico de terminação única
Este é um
formato comumente usado, e o preço é geralmente menor do que o
tipo Diferencial. A sensibilidade geralmente está na faixa de
-38dBV ~ 40dBV. Todas as entradas de microfone de codec de
áudio suportam este sinal e o tornam o mais popular. Mas ao
projetar o circuito PCB para este tipo de microfone.
Diferencial analógico com terminação
Este tipo é incomum, e o preço é geralmente mais alto
do que Single-ended. É uma saída diferencial. Portanto, a
sensibilidade também aumentará em 6dBV. A sensibilidade é
geralmente definida em torno de -32dBV, e também pode aumentar
o AOP (Acoustic Overload Point). A maioria das entradas de
microfone de codec de áudio também suportam este sinal.
PDM (Modulação de Densidade de Pulso)
É
a principal interface de saída de um microfone MEMS digital. O
canal L/R compartilha o Data BUS, então ele precisa de apenas
quatro linhas para completar a transmissão do canal estéreo
L/R; ele também é adequado para o design de layout de PCB de
dispositivos portáteis.
I2S (Estágio Integrado de Som)
Este
formato padrão de barramento serial de áudio digital foi
desenvolvido pela Philips para transmitir dados de áudio entre
dispositivos de áudio digital. O barramento é usado
explicitamente para transmissão de dados entre dispositivos de
áudio, amplamente usado em vários sistemas multimídia. A
maioria dos MCUs de nível de entrada não suporta interfaces
PDM, mas interfaces I2S básicas. Portanto, alguns fabricantes
de microfones ainda lançaram microfones I2S MEMES para
aplicações sem um codec de áudio.
TDM (Multiplexação por divisão de tempo)
Ele divide o tempo de uso do meio de transmissão em
vários intervalos de tempo fixos. Cada intervalo de tempo
ocupa um curto período (por exemplo, 20 ms) e é considerado um
canal virtual. Quando os dados são comunicados, as duas partes
interconectadas serão definidas para transmitir dados em um
intervalo de tempo específico. Ele tem o direito de usar o
intermediário de transmissão por um tempo específico. Por um
tempo maior, todo o intermediário de transmissão é o mesmo que
ter várias conexões, e eles enviam dados simultaneamente.
Aplicação do microfone MEMS
Dispositivos domésticos inteligentes
Os
microfones MEMS são integrados em alto-falantes inteligentes,
assistentes virtuais e sistemas de automação residencial. Eles
permitem comandos de voz, permitindo que os usuários controlem
luzes, termostatos e outros dispositivos inteligentes com
instruções faladas.
Sistemas de segurança
Os microfones MEMS são
usados em câmeras de segurança e sistemas de vigilância. Eles
capturam áudio para aprimorar as filmagens de vídeo, fornecendo
contexto valioso para o pessoal de segurança. Modelos avançados
podem detectar sons específicos, como vidros quebrando ou alarmes,
acionando respostas apropriadas.
Dispositivos médicos
Em aplicações médicas,
microfones MEMS são utilizados em dispositivos como aparelhos
auditivos e dispositivos de audição assistida. Eles melhoram a
clareza do som, aprimorando a experiência auditiva para indivíduos
com deficiências auditivas.
Automação industrial
Microfones MEMS são
usados em ambientes industriais para monitorar equipamentos e
detectar anormalidades. Eles podem detectar sons ou vibrações
incomuns em máquinas, indicando problemas potenciais que exigem
manutenção ou reparo.
Eletrônicos de consumo
Os microfones MEMS
são componentes integrais de eletrônicos de consumo, como câmeras
digitais e filmadoras. Eles capturam áudio de alta qualidade
durante a gravação de vídeo, garantindo que o conteúdo gravado
seja imersivo e envolvente.
Acessórios para jogos
Os microfones MEMS são
usados em periféricos de jogos, como headsets e microfones. Eles
capturam comunicações de voz claras durante jogos online,
permitindo que os jogadores criem estratégias e coordenem de forma
eficaz.
Ferramentas educacionais
Os microfones MEMS
são incorporados em dispositivos educacionais e ferramentas de
aprendizagem de idiomas. Eles facilitam experiências de
aprendizagem interativas, permitindo que os alunos se envolvam em
exercícios de prática de idiomas e pronúncia.
Dispositivos IoT
Os microfones MEMS são
usados em vários dispositivos conectados no ecossistema da
internet das coisas (iot). Por exemplo, eles podem ser integrados
em aparelhos inteligentes para receber comandos de voz, tornando
esses aparelhos parte da rede doméstica inteligente.
Sistemas de navegação
Os microfones MEMS são
utilizados em dispositivos de navegação para capturar instruções
faladas. Eles melhoram a experiência do usuário ao fornecer
instruções guiadas por voz, principalmente quando a orientação
visual é limitada ou insegura, como ao dirigir.
Comparando microfones MEMS e microfones condensadores de eletreto
Microfones MEMS
Miniaturização e precisão pioneiras
Os microfones MEMS
se destacam pela compactação, PCBs e ADCs integrados, baixa
impedância para rejeição de ruído, resiliência a vibrações e
avanços contínuos, tornando-os ideais para aplicações com
restrições de espaço que exigem captura de áudio de alta
qualidade.
Microfones Condensadores Eletretos
Versatilidade e apelo de legado
Os ECMs continuam
valiosos para integração de legado, diversas opções de
conectividade, resiliência ambiental, flexibilidade
direcional e tolerância de voltagem. Eles são preferidos
para atualizações contínuas e compatibilidade com versões
anteriores e se destacam em vários cenários com designs
estabelecidos.
A escolha entre microfones MEMS e ECMs depende das demandas precisas da aplicação, sistemas legados e considerações ambientais. Os microfones MEMS oferecem compacidade e alto desempenho, enquanto os ECMs fornecem versatilidade e compatibilidade com designs estabelecidos.
Componentes do microfone MEMS
Diafragma
Localizado no topo do microfone, há uma película muito fina, geralmente feita de metal ou material cerâmico. O diafragma vibra com as flutuações do som.
Placa traseira
Localizado abaixo do diafragma, ele é geralmente feito de material sólido. Há um eletrodo na placa traseira que detecta a vibração do diafragma.
Espaço de ar
Um pequeno espaço entre o diafragma e a placa traseira, no qual o diafragma vibra quando o som flutua.
Estrutura de suporte
Uma estrutura de quadro estável usada para suportar o diafragma e a placa traseira.
Indutor
Um dispositivo eletrônico localizado em uma estrutura de suporte que mede a vibração do diafragma e a converte em um sinal elétrico.
Como escolher um microfone MEMS
Consumo de energia
O consumo de energia é
uma das considerações de design mais críticas, especialmente para
dispositivos eletrônicos portáteis e de mão. Portanto, a seleção
de microfones MEMS com eficiência energética é crucial. Comparados
aos microfones convencionais, os microfones MEMS consomem menos
energia porque todo o circuito é alojado em um único pacote IC.
Além disso, os sensores MEMS analógicos consomem menos energia do
que os digitais devido a menos estágios.
Dimensões
O tamanho do microfone é outra
consideração importante no design de dispositivos eletrônicos
portáteis modernos. Os gadgets eletrônicos estão encolhendo
diariamente, e o espaço disponível é bastante limitado. Os
microfones MEMS são excelentes nesse aspecto devido ao seu pequeno
fator de forma. Devido a esse motivo, os fabricantes usam esses
microfones em tablets, celulares, smartwatches e outros
dispositivos portáteis.
Ruído de fundo
Ruído, EMI e zumbido são os
maiores desafios em circuitos eletrônicos de alta frequência.
Distorção no sinal de saída pode levar a resultados errôneos e
baixa qualidade. A quantidade de ruído no sinal de saída em um
ambiente silencioso é conhecida como ruído de fundo do microfone.
Os níveis de ruído impactam diretamente o SNR do microfone.
Microfones analógicos são mais suscetíveis a ruído do que
microfones digitais. Os microfones MEMS apresentam circuitos de
condicionamento de sinal no chip para minimizar ruído e
interferência.
Distorção
Distorção Harmônica Total (THD) é
o desvio de um sinal de sua forma de onda real. A distorção de
sinal em um sistema de áudio pode causar má qualidade de som e
experiência do usuário. A causa mais comum de distorção de sinal
são vários tipos de ruído e interferência.
Resposta de frequência
A resposta de
frequência é a variação na sensibilidade do microfone em
diferentes frequências. A faixa de frequência típica dentro da
qual os sensores MEMS operam satisfatoriamente fica entre 100 Hz e
10 kHz. Como resultado, os microfones MEMS de alto desempenho
fornecem uma resposta de frequência plana em toda a faixa audível,
ou seja, 20 Hz a 20 kHz.
Rejeição de fonte de alimentação
PSP é outro
fator crítico na seleção de microfones MEMS. A capacidade do
microfone de rejeitar o ruído da fonte de alimentação é conhecida
como PSR. Em microfones de baixa qualidade, o ruído da fonte de
alimentação geralmente aparece no sinal de saída, o que causa
distorção e problemas de qualidade de som.
Direcionalidade
Microfones de nível de placa
podem ser omnidirecionais ou unidirecionais. Microfones
unidirecionais só podem coletar som de uma direção específica,
enquanto microfones omnidirecionais podem receber som de qualquer
direção. Portanto, a direcionalidade de um microfone é um fator
crucial em sua seleção para uma aplicação específica.
O microfone MEMS contém componentes eletrônicos e mecânicos no mesmo wafer semicondutor. Ele tem um transdutor e um circuito integrado específico de aplicação (ASIC) integrados em um único componente protegido por uma capa mecânica. Um pequeno furo na capa ou na PCB da base permite que o som entre no microfone. Ele tem porta superior ou inferior, dependendo se o furo está na capa superior ou na PCB.
A imagem abaixo mostra que ele consiste em um transdutor de diafragma sensível à pressão de tamanho micro e circuitos pré-amplificadores de condicionamento de sinais. Além disso, a versão Digital do sensor MEMS tem um conversor digital para converter o sinal analógico em um sinal digital.
O diafragma sensível à pressão de tamanho micro atua como
uma placa única de um capacitor. O circuito de bomba de
carga baseado em ASIC injeta carga entre as placas do
capacitor.
O movimento do diafragma devido à pressão
sonora altera a capacitância, o que por sua vez causa a
geração de um sinal elétrico. Este sinal elétrico de áudio é
então alimentado para o pré-amplificador.
Um conversor
de impedância reduz a impedância de saída do sinal para algo
utilizável antes de alimentar o amplificador.
Quais são as tendências e direções de desenvolvimento do microfone MEMS no mercado
SNR mais alto
O desempenho do microfone MEMS
continua a melhorar. Os SNRs aumentaram de 55 a 58 dB alguns anos
atrás para 63 a 66 dB hoje, resultando em captura de áudio mais
limpa e permitindo que os microfones sejam usados em distâncias
maiores com o mesmo nível de clareza. Altos níveis de SNR são
necessários para algoritmos de reconhecimento automático de fala
para atingir boas taxas de precisão de palavras.
Níveis mais elevados de pressão sonora
Muitos usuários de microfone também estão solicitando
pontos de sobrecarga acústica mais altos para evitar distorção em
ambientes barulhentos. A distorção causada por cortes em níveis de
pressão sonora acima do ponto de sobrecarga acústica pode tornar
gravações feitas em ambientes barulhentos, como shows de rock,
inutilizáveis.
Tamanhos de embalagens menores
Os tamanhos
dos pacotes de microfone MEMS também estão diminuindo, pois a
demanda do consumidor por produtos mais finos e leves continua a
aumentar. Os primeiros microfones MEMS tinham tamanhos de pacote
de 3,76 mm x 4,72 mm x 1,25 mm, enquanto hoje os pacotes de 3 mm x
4 mm x 1 mm e 2,95 mm x 3,76 mm x 1 mm são comuns. Os microfones
MEMS mais novos estão disponíveis em pacotes de 2,5 mm x 3,35 mm x
0.98 mm e 2,65 mm x 3,5 mm x 0.98 mm. Essa tendência provavelmente
continuará, embora pacotes menores de microfone tornem mais
difícil manter ou melhorar a qualidade do áudio devido ao tamanho
reduzido da câmara traseira do microfone.
Redução de ruído ambiente
Muitos smartphones
e tablets estão começando a usar mais de um microfone para
habilitar recursos como gravação de vídeo. Outra maneira comum em
que vários microfones são usados é para redução de ruído
ambiente. Muitos smartphones usam um microfone localizado na parte
superior ou traseira do telefone para detectar ruído no ambiente
ao redor e subtraí-lo da saída do(s) microfone(s) de voz para
ajudar a melhorar a inteligibilidade. Microfones cujo propósito
principal é a gravação de vídeo são frequentemente usados também
para redução de ruído ambiente.
Controle mais rigoroso da sensibilidade
Os
algoritmos de desempenho usados para executar funções como
cancelamento de ruído e formação de feixe geralmente pressupõem
que a sensibilidade dos microfones usados é a mesma, portanto,
variações na sensibilidade entre os microfones em um conjunto
prejudicam o desempenho dos algoritmos.
perfil de companhia
A Shenzhen Marquess Electronics Co., Ltd. foi fundada em julho de 2004, originária da japonesa AOI Electric Motor Manufacturing Company como uma joint venture especializada na produção de ECM (microfones condensadores de eletreto).
Nosso Certificado
Norma ISO 9001 2015,ISO 14001 2015,ISO 4500 12018,UL E473299,UL E473487
Perguntas frequentes
P: O que é um microfone MEMS?
P: Como um microfone MEMS difere dos microfones tradicionais?
P: Quais são as vantagens de usar um microfone MEMS?
P: Em quais dispositivos os microfones MEMS são comumente encontrados?
P: Os microfones MEMS requerem alimentação phantom para funcionar?
P: Os microfones MEMS são mais duráveis que os microfones tradicionais?
P: Os microfones MEMS podem capturar gravações de áudio de alta qualidade?
P: Qual é a faixa de resposta de frequência dos microfones MEMS?
P: Os microfones MEMS são adequados para aplicações de reconhecimento e controle de voz?
P: Os microfones MEMS oferecem recursos de cancelamento de ruído?
P: Os microfones MEMS podem ser usados para gravar música e instrumentos?
P: Os microfones MEMS exigem manuseio ou manutenção especial?
P: Os microfones MEMS são sensíveis a fatores ambientais como umidade e temperatura?
P: Qual é a relação sinal-ruído (SNR) típica dos microfones MEMS?
P: Os microfones MEMS podem ser integrados em dispositivos vestíveis?
P: Os microfones MEMS oferecem múltiplos padrões polares como os microfones tradicionais?
P: Qual é o consumo de energia dos microfones MEMS em comparação aos microfones tradicionais?
P: Os microfones MEMS são econômicos em comparação aos microfones tradicionais?
P: Os microfones MEMS podem ser usados para teleconferências e videochamadas?
P: Que avanços podemos esperar na tecnologia de microfones MEMS no futuro?