Mikrofontechnologie MEMS-Mikrofone - richtungsweisende Innovation in der Schall-Erfassung

Autor / Redakteur: Vishal Goyal * / Holger Heller

MEMS-Mikrofone bieten Vorteile in zahlreichen Anwendungen in der Consumer-, Medizin-, Sicherheits- und Automobilelektronik. STMicroelectronics spielt dabei auf dem Gebiet der MEMS-Mikrofone eine wichtige Rolle.

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MEMS-Mikrofon von ST: erhebliche Verbesserung der Klanggüte
MEMS-Mikrofon von ST: erhebliche Verbesserung der Klanggüte
(Bild: STMicroelectronics)

Ein MEMS-Mikrofon ist eine ohne bewegliche Teile auskommende integrierte Schaltung (IC), mit der sich Töne auf die gleiche Weise erfassen lassen wie mit einem Elektret-Kondensatormikrofon (ECM). In vielen modernen Produkten vom Mobiltelefon über Tablet- und Laptop-Computer, Smart-TV-Geräte, die Spracheingabe in Autos und Gaming-Equipment bis hin zu Fernbedienungen usw. werden MEMS-Mikrofone immer beliebter.

Nach Angaben von IHS iSuppli wird dem Markt der MEMS-Mikrofone für Consumer-Elektronik und Mobiltelefone von 2010 bis 2014 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 23% prognostiziert. Ausschlaggebend für die steigende Popularität des MEMS-Mikrofons sind seine zuverlässige monolithische Struktur, seine hohe Beständigkeit gegen mechanische Schwingungen, sein geringer Platzbedarf und seine geringe Bauhöhe sowie sein optionaler digitaler Ausgang.

In Anwendungen mit mehreren Mikrofonen ermöglichen MEMS-Mikrofone außerdem eine drastische Verbesserung der Klanggüte. Erleichtert wird die Herstellung solcher Mikrofon-Arrays durch die kleinen Abmessungen, die hohe Empfindlichkeits-Übereinstimmung und den Frequenzgang der Mikrofone von ST.

Neben der aktiven Rausch- und Echokompensation lässt sich auch eine bestimmte Richtcharakteristik realisieren. Dieses Beamforming ist eine Tonaufbereitungs-Technik, mit der sich eine Schallquelle gezielt räumlich isolieren lässt. Da Mobiltelefone und andere Geräte zunehmend in lauten, nicht kontrollierbaren Umgebungen eingesetzt werden, sind diese Eigenschaften von unschätzbarem Wert.

Der Aufbau eines MEMS-Mikrofons

Aufbau eines MEMS-Mikrofons: Der Schall wird durch Änderungen der Koppelkapazität aufgenommen.
Aufbau eines MEMS-Mikrofons: Der Schall wird durch Änderungen der Koppelkapazität aufgenommen.
(Bild: STMicroelectronics)
Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von MEMS-Mikrofonen: die analoge Bauart wandelt das Schallsignal in eine entsprechende analoge Ausgangsspannung um, während die digitale Bauart ein digitales, in der Regel per Pulsdichtenmodulation (PDM) codiertes Ausgangssignal liefert. Im Prinzip handelt es sich bei einem MEMS-Mikrofon um einen akustischen Messwertumformer. Die Umformung erfolgt mithilfe von Änderungen der Koppelkapazität zwischen einer feststehenden Platte (Grundplatte) und einer beweglichen Platte (Membran). Die Kapazitätsänderungen werden durch die Schallwellen ausgelöst, die durch die Schalleintrittsöffnungen auf die Membran gelangen und diese in Bewegung versetzen, wodurch sich die Breite des Luftspalts zwischen den beiden Kondensatorplatten verändert. Die rückwärtige Kammer fungiert als akustischer Resonator. Die in der rückwärtigen Kammer komprimierte Luft kann durch die Druckausgleichsöffnung entweichen, sodass sich die Membran bewegen kann.

Kenndaten von MEMS-Mikrofonen

Empfindlichkeit

  • Die Empfindlichkeit gibt an, welches elektrische Signal von einem bestimmten Schalldruck erzeugt wird. Der Bezugswert für den Schalldruck ist 1 Pa oder 94 dB SPL bei 1 kHz
  • 1 dB SPL = 20 * lg(P/P0), wobei P0 = 20 µPa die Hörschwelle darstellt. 20 * lg(1 Pa/20 µPa) = 94 dB SPL
  • Gemessen wird die Empfindlichkeit üblicherweise wie folgt:
    - Bei analogen Mikrofonen in mV/Pa oder dBV = 20 * lg(mV/Pa / 1V/Pa)
    - Bei digitalen Mikrofonen in %FS oder dBFS = 20 * lg (%FS / 1FS)

Richtwirkung

  • Die Richtcharakteristik gibt an, wie sich die Empfindlichkeit abhängig von der Richtung, aus der Schall kommt, ändert.
  • Die MEMS-Mikrofone von STMicroelectronics besitzen eine omnidirektionale Charakteristik. Das heißt, dass ihre Empfindlichkeit für alle Richtungen gleich ist.
  • Die Richtwirkung lässt sich in einem kartesischen Koordinatensystem als Empfindlichkeitsänderung über den Winkel darstellen, während sie in einem Polardiagramm direkt räumlich abgelesen werden kann.

Signal-Rauschabstand (Signal to Noise Ratio – SNR)

  • Der Signal-Rauschabstand gibt das Verhältnis zwischen einem Referenzsignal und dem Eigenrauschen am Mikrofonausgang an.
  • Das Referenzsignal ist das Standardsignal am Mikrofonausgang bei einem Schalldruck von 1 Pa bei 1 kHz (entspricht der Mikrofonempfindlichkeit).
  • Das Rauschsignal (Eigenrauschen) ist das bei völliger Stille am Mikrofonausgang liegende elektrische Signal. In diese Größe geht das Rauschen des MEMS-Elements und des ASIC ein.
  • Das Rauschen wird in der Regel in einem schalltoten Raum mit A-Gewichtung gemessen. Das A-gewichtete Filter bildet den Frequenzgang des menschlichen Ohrs nach.

Dynamikbereich und AOP

Unter dem Dynamikbereich versteht man den Unterschied zwischen dem minimalen und dem maximalen Schalldruck, der von einem Mikrofon verzerrungsfrei aufgenommen werden kann: Das maximale Schallsignal, das das Mikrofon ohne Verzerrungen ‚hören‘ kann, wird als Acoustic Overload Point (AOP) bezeichnet. Für die analogen und digitalen Mikrofone von ST liegt der AOP bei einem Schalldruck von 120 dB SPL.
Welches minimale Schallsignal ein Mikrofon hören kann, hängt von seinem Signal-Rauschabstand ab. Es entspricht hinsichtlich des Schalldrucks dem Eigenrauschen.

Frequenzgang

Beispiel eines MEMS-Mikrofon-Frequenzgangs: Bedingt durch die Druckausgleichsöffnung des Gehäuses fällt er bei niedrigen Frequenzen ab, bei hohen Frequenzen ist dagegen infolge des Helmholtz-Effekts ein Anstieg zu beobachten.
Beispiel eines MEMS-Mikrofon-Frequenzgangs: Bedingt durch die Druckausgleichsöffnung des Gehäuses fällt er bei niedrigen Frequenzen ab, bei hohen Frequenzen ist dagegen infolge des Helmholtz-Effekts ein Anstieg zu beobachten.
(Bild: STMicroelectronics)
Bezüglich der Amplitude gilt für den Frequenzgang eines Mikrofons:

  • Die Kurve gibt die Empfindlichkeitsschwankungen über den Audiofrequenzbereich wieder. Anders ausgedrückt, beschreibt dieser Parameter die Abweichung des Ausgangssignals vom Referenzwert 0 dB.
  • In der Regel ist der Bezugswert für diese Messung exakt gleich der Empfindlichkeit des Mikrofons: 0 dB = 94 dB SPL (bei 1 kHz).
  • Der typische Frequenzgang eines Mikrofons fällt (bedingt durch die Druckausgleichs-Öffnung) bei niedrigen Frequenzen ab. Bei hohen Frequenzen ist dagegen infolge des Helmholtz-Effekts ein Anstieg zu beobachten.

Bezüglich der Phase gilt für den Frequenzgang eines Mikrofons:

  • Dargestellt wird die vom Mikrofon verursachte Phasenverzögerung, also die zeitliche Differenz zwischen dem Auftreffen einer Schallwelle auf die Mikrofonmembran und dem entsprechenden elektrischen Signal am Mikrofonausgang.
  • In diesen Parameter geht die von der Membran und vom ASIC verursachte Verzögerung ein.

Die Mikrofone von ST bieten optimale akustische Eigenschaften, den besten Frequenzgang, eine omnidirektionale Charakteristik, hohe Empfindlichkeit, eine reduzierte Phasendrehung, optimierte Audioqualität (SNR > 60 dB) sowie die geringste Bauteilstreuung. Hinzu kommen maximale Zuverlässigkeit und Robustheit sowie eine überragende Beständigkeit gegen Feuchte, Temperatur und Staub.

Die Richtcharakteristik von MEMS-Mikrofonen

Mikrofone können sehr unterschiedliche Richtcharakterisiken aufweisen. MEMS-Mikrofone sind die besten omnidirektionalen Mikrofone.
Mikrofone können sehr unterschiedliche Richtcharakterisiken aufweisen. MEMS-Mikrofone sind die besten omnidirektionalen Mikrofone.
(Bild: STMicroelectronics)
Unter einer omnidirektionalen Richtcharakteristik versteht man bei einem Mikrofon in der Regel eine perfekte Kugelform in allen drei Dimensionen. Ein Mikrofon mit dem kleinsten Durchmesser ergibt die beste omnidirektionale Charakteristik bei hohen Frequenzen. Dies ist der Grund dafür, dass MEMS-Mikrofone die besten omnidirektionalen Mikrofone sind. Darüber hinaus können mehrere MEMS-Mikrofone zu Arrays kombiniert werden, um genau definierte Richtcharakteristiken zu realisieren.

Anwendungsbeispiel

Durch die Kombination mehrerer MEMS-Mikrofone zu Arrays lassen sich genau definierte Richtcharakteristiken realisieren.
Durch die Kombination mehrerer MEMS-Mikrofone zu Arrays lassen sich genau definierte Richtcharakteristiken realisieren.
(Bild: STMicroelectronics)
Die Signale mehrere Mikrofone werden aufbereitet, um die Empfindlichkeit entlang der X-Achse zu formen. Die Aufbereitung erfolgt dabei unter Ausnutzung der Phasenbeziehung der entlang der X-Achse eintreffenden Wellen.

Die physikalischen und akustischen Parameter der MEMS-Mikrofone von ST bieten beste Voraussetzungen für die hohen Anforderungen von Sprachinteraktionssystemen, die aus großer Entfernung besprochen werden. Dank der kleinen Abmessungen können Forscher problemlos ganze Mikrofon-Arrays in Wänden, Schreibtischen oder sprach-fähigen Geräten im automatisierten Haus installieren. Kombiniert mit ausgewählten Signalverarbeitungs-Technologien ermöglicht dies die Identifikation und Erfassung eines einzelnen Sprechers, auch wenn sich dieser in mehreren Metern Entfernung befindet und der Raum von anderen Stimmen und Musik erfüllt ist.

Zwar werden diese aus der Ferne besprechbaren Sprachinteraktions-Systeme die Art und Weise, wie die Menschen mit der Technik umgehend, nicht dramatisch verändern. Eine entscheidende Verbesserung werden sie aber für jene Menschen bringen, die beispielsweise durch hohes Alter oder körperliche Behinderungen in ihrer Bewegung eingeschränkt sind. Abgesehen vom häuslichen Umfeld können diese Systeme auch in der Robotertechnik sowie in Telepräsenz-, Überwachungs- und industriellen Automationssystemen zum Einsatz kommen.

Die Vorteile von STMicroelectronics

Die MEMS-Mikrofone von ST werden in Kunststoffgehäusen angeboten. Der patentierte technische Durchbruch spart Platz und verbessert die Langlebigkeit in Spracheingabe-Systemen für den Consumer- und Profibereich, von Mobiltelefonen und Tablets bis zu Lärmmessgeräten und Kopfhörern mit Störgeräuschkompensation.

Während andere Hersteller noch MEMS-Mikrofone mit Metalldeckeln produzieren, hat ST mit seinen Kunststoffgehäusen eine Vorreiterrolle übernommen. Die MEMS-Mikrofone des Unternehmens eignen sich für die Montage auf flexiblen Leiterplatten, die das Design in modernen Consumer-Applikationen mit ihren beengten Platzverhältnissen vereinfachen. Die patentierte Gehäusetechnologie gibt den Herstellern die Möglichkeit, die Schalleintrittsöffnung wahlweise an der Ober- oder der Unterseite des Gehäuses anzuordnen.

Hierdurch lässt sich die Konstruktion möglichst schlank gestalten und dafür sorgen, dass der Schall einen möglichst kurzen Weg bis zum Mikrofon zurücklegen muss. Während die Top-Port-Mikrofone (mit der Schalleintrittsöffnung an der Oberseite) auf die Größen und Schallöffnungs-Anforderungen von Laptops und Tablets abgestimmt sind, kommen die Bottom-Port-Mikrofone vornehmlich in Mobiltelefonen zum Einsatz.

Beispiel eines MEMS-Mikrofons von STMicroelectronics
Beispiel eines MEMS-Mikrofons von STMicroelectronics
(Bild: STMicroelectronics)
ST bietet mit dem MP34DT01 ein MEMS-Mikrofon an, das die Vorteile eines Top-Port-Mikrofons mit einem SNR von 63 dB und einem flachen Frequenzgang über den gesamten hörbaren Frequenzbereich von 20 bis 20.000 Hz verbindet. Durch seinen SNR-Wert kommt das Mikrofon auch für Anwendungen außerhalb des klassischen Consumer-Segments in Frage, so zum Beispiel für Phonmesser, die nach einem großen Dynamikbereich verlangen. Der Frequenzgang der MEMS-Mikrofone von ST bleibt außerdem sogar nach der Reflow-Lötung erhalten.

MEMS-Mikrofone dringen in neue Anwendungsgebiete vor wie zum Beispiel sprachgesteuerte Spiele, die Spracheingabe im Auto, akustische Sensoren in Industrie- und Sicherheits-Anwendungen sowie die medizinische Telemetrie. Die einzigartige Konstruktion, die Leistungsfähigkeit und das Format dieser Mikrofone hat Möglichkeiten erschlossen, die früher undenkbar waren.

* * Vishal Goyal ist Technical Marketing Manager – AMS in Indien und arbeitet seit 11 Jahren für STMicroelectronics im VLSI-Design und Marketing.

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