Di Balik Mikrofon MEMS: Dari Gelombang Suara ke Sinyal Digital

1. Pendahuluan
2. Cara Kerjanya
3. Struktur Perangkat Keras
4. Kemampuan Rekayasa Akustik Bestar
5. Kesimpulan

Perkenalan
Selama beberapa dekade, mikrofon kondensor elektret (ECM) menjadi replikator standar untuk audio konsumen. ECM berbiaya rendah, sederhana, dan fungsional. Namun, mereka memiliki keterbatasan mendasar, yaitu dibuat seperti komponen analog secara manual, dan karenanya tidak konsisten dari satu unit ke unit lainnya, sensitif terhadap panas, dan sulit untuk dikecilkan ukurannya agar muat di dalam ponsel.
Mikrofon MEMS Berubah selamanya. MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) adalah perangkat yang memiliki komponen mekanis selain sirkuit elektronik pada chip silikon yang sama, yang dibuat dengan proses semikonduktor yang sama yang digunakan dalam pembuatan prosesor dan memori. Diterapkan pada penginderaan akustik, ini berarti bahwa mikrofon dapat dibuat yang bertindak kurang seperti perangkat elektromekanis tradisional dan lebih seperti perangkat semikonduktor presisi.
Manfaat praktisnya sangat besar. Pertama, mikrofon MEMS memiliki konsistensi, proses pembuatan mikrofon MEMS menggunakan wafer silikon melalui fotolitografi, sehingga di antara jutaan unit mikrofon resonansi, sensitivitas dan respons frekuensinya dikontrol secara ketat. Kedua, stabilitas termal, mikrofon MEMS tahan terhadap suhu penyolderan reflow pada jalur perakitan SMT, suhu di mana ECM konvensional akan rusak. Ketiga, paket MEMS secara teratur berukuran 2,5 x 1,8 mm dan lebih kecil yang memungkinkan pembuatan smartphone ultra-tipis, earbud TWS, kendaraan pintar, dan perangkat IoT yang identik dengan elektronik konsumen modern.
Sifat-sifat ini telah menjadikan mikrofon MEMS sebagai standar untuk setiap aplikasi di mana kualitas audio, keandalan manufaktur, atau miniaturisasi perangkat menjadi prioritas.

Cara Kerjanya: Mengubah Suara Menjadi Sinyal Listrik
A Mikrofon MEMS Cara kerjanya berdasarkan prinsip variasi kapasitansi. Untuk memahami mekanisme ini, kita hanya membutuhkan prinsip fisika yang paling sederhana.
Kapasitor adalah penyimpan listrik yang menyimpan muatan listrik di antara dua pelat konduktif yang dipisahkan oleh celah. Kapasitansi (jumlah muatan yang tersimpan di dalamnya) berbanding terbalik dengan jarak antara pelat. Ketika jarak tersebut berubah, kapasitansi juga berubah. Ketika terjadi perubahan kapasitansi dalam sistem bermuatan, terjadi pula perubahan tegangan dalam sistem tersebut. Perubahan tegangan tersebut mewakili sinyal listrik.
Dalam kasus mikrofon MEMS, dua "pelat" tersebut adalah diafragma dan pelat belakang. Diafragma adalah membran silikon tipis dan fleksibel, yang terletak di belakang pelat belakang terdapat elektroda berlubang yang kaku beberapa mikron di belakangnya. Gelombang suara (gelombang tekanan di udara) mendorong diafragma dan menyebabkannya melentur. Lenturan tersebut mengubah celah antara diafragma dan pelat belakang, dan ini mengubah kapasitansi, dan inilah yang menghasilkan sinyal tegangan yang sesuai dengan tekanan suara yang ditransmisikan di sana.
Sinyal yang dihasilkan sangat kecil, dalam orde mikrovolt. Sinyal ini tidak dapat menempuh jarak jauh tanpa diperkuat dan diolah. Inilah cara kerja ASIC.
ASIC (Application Specific Integrated Circuit) adalah chip silikon kedua yang terdapat di dalam setiap paket mikrofon MEMS. Chip ini menjalankan tiga fungsi. Pertama, ia menyediakan tegangan bias stabil ke elemen kapasitif (disebut pompa muatan, sirkuit internal yang menghasilkan tegangan polarisasi DC, untuk mencapai medan listrik konstan di seluruh kapasitor). Kedua, ia merupakan alat konversi impedansi, yang mengubah output impedansi tinggi dari elemen kapasitif menjadi impedansi rendah dari sinyal penggerak rantai sinyal. Ketiga, ia memperkuat dan, dalam versi digital, mengubahnya menjadi format sinyal standar.

Struktur Perangkat Keras: Mikromekanika Kelas Semikonduktor
Chip MEMS (Chip Sensor)
Piston adalah elemen penggerak. Biasanya berupa membran melingkar atau persegi panjang yang terbuat dari silikon, dengan ketebalan beberapa mikrometer, yang diikat di bagian tepinya dan dibiarkan bebas bergerak dari tengah. Piston memiliki kekakuan dan massa, yang menentukan sensitivitas dan karakteristik respons frekuensi mikrofon. Diafragma yang lebih tipis dan lebih besar memiliki sensitivitas yang lebih tinggi tetapi kekakuannya lebih rendah.
Permukaan belakang pada pelat belakang adalah elektroda stasioner. Permukaan ini dilubangi dengan serangkaian lubang akustik, cukup kecil untuk memastikan kekakuan struktural tetapi cukup besar untuk memastikan aliran udara, di mana tidak ada hambatan viskositas yang mencegah diafragma bergerak. Celah antara diafragma dan pelat belakang biasanya 1-4 mikrometer. Mempertahankan dimensi ini sepanjang proses produksi adalah salah satu masalah dalam pembuatan perangkat akustik MEMS.
Chip Pemroses Sinyal (Chip ASIC)
ASIC melakukan transformasi impedansi, pra-penguatan, dan konversi analog ke digital. Pada perangkat keluaran analog, ia menyediakan sinyal tegangan, baik tunggal maupun diferensial dengan penguatan tetap. Pada perangkat keluaran digital, ia berisi modulator SD yang mengubah sinyal analog menjadi PDM (Pulse Density Modulation) atau aliran bit I²S.
Pengemasan & Rongga Akustik
Kedua chip (MEMS dan ASIC) dipasang di dalam kemasan pemasangan permukaan, biasanya berupa wadah LCC dengan penutup logam, atau wadah plastik tipe LGA. Port akustik terletak di bagian bawah kemasan (port bawah) atau port atas.
Mikrofon port bawah menyelaraskan bukaan akustik dengan lubang di PCB di bawahnya dan menangkap suara dari bawah PCB. Mikrofon port atas membuka ke sisi komponen dan menerima suara dari atas. Pilihan ini bergantung pada geometri wadah yang digunakan, persyaratan penyegelan akustik, dan arah sumber suara target.
Rasio volume rongga depan terhadap volume rongga belakang (ruang di kedua sisi diafragma) memiliki pengaruh langsung terhadap sensitivitas dan respons frekuensi rendah. Dan rongga depan yang lebih besar umumnya akan meningkatkan jangkauan frekuensi rendah.

Kemampuan Teknik Akustik Bestar
Terbaik telah mengembangkan portofolio mikrofon MEMS-nya melalui investasi berkelanjutan dalam penelitian akustik dan kontrol proses tingkat semikonduktor. Selain memasok komponen, Terbaik juga dapat memberikan solusi.

Kesimpulan
Mikrofon MEMS adalah perangkat yang sangat luar biasa. Perangkat ini mengubah variasi tekanan udara (suara) menjadi informasi listrik dengan ketelitian luar biasa dan mengirimkannya kembali ke komputer, dalam paket yang lebih kecil dari sebutir beras.
Hal ini dimungkinkan karena fisika akustik dan manufaktur semikonduktor telah menyatu. Prinsip kapasitor variabel telah dikenal lebih dari seratus tahun. Yang berubah adalah kemampuan untuk membuat kapasitor tersebut, termasuk diafragma, pelat belakang, dan celah, dengan biaya yang tidak termasuk tingkat presisi arus mikro.
Melihat lebih jauh ke depan, mikrofon yang menggunakan daya mikrowatt, selalu aktif, dan hanya mengaktifkan perangkat saat kata kunci tertentu diterima. Layanan mikro pemrosesan suara berbasis AI terlihat menarik. Hal ini membutuhkan teknologi yang lebih canggih dalam desain ASIC berdaya rendah dan dalam fusi sensor. Mikrofon MEMS berada pada posisi yang tepat untuk transisi ini, efisiensi dan kepadatan penggabungannya menjadikannya dasar alami untuk fungsi selanjutnya dari perangkat yang mengutamakan suara.
Baik Anda memesan komponen siap pakai atau ingin menerima saran tentang pengaturan sistem akustik apa pun, silakan kontak Terbaik, Terbaik hadir untuk membantu proyek Anda mulai dari spesifikasi awal hingga kesiapan produksi.