MEMS versus ECM: een vergelijking tussen microfoontechnologieën

Van wearables tot home assistants, steeds meer apparaten gebruiken microfoons waarmee vrijwel elk geluid nauwkeurig kan worden vastgelegd. Twee van de technologieën die het meest worden gebruikt bij de constructie van microfoons zijn MEMS (microfoons met micro-elektromechanische systeem) en ECM (elektret-condensatormicrofoons). Beide technologieën kennen een groot aantal toepassingssituaties. In dit artikel worden de basisprincipes van deze twee technologieën besproken, de verschillen ertussen vergeleken en de voordelen van elk van beide systemen op een rijtje gezet.

MEMS-microfoons

MEMS-microfoons zijn gebouwd met een MEMS-component dat op een printplaat (PCB) is geplaatst en wordt beschermd door een mechanische afdekking. Deze microfoons hebben een kleine opening in de behuizing die het geluid in het apparaat laat. De positie van deze opening bepaalt of de microfoon wordt aangeduid als top-ported (opening in de bovenste afdekking) of bottom-ported, (opening in de PCB). MEMS-componenten hebben vaak een mechanisch membraan en een bevestigingsstructuur, gemonteerd op een halfgeleiderchip.

Afbeelding 1: typische top-port MEMS microfoonconstructie. (Bron afbeelding: Same Sky)

Het MEMS-membraan vormt een condensator en geluidsdrukgolven laten het membraan bewegen. Meestal bevatten MEMS-microfoons een tweede halfgeleiderchip die fungeert als een audio-voorversterker die de veranderende MEMS-capaciteit omzet in een elektrisch signaal. Indien de voorkeur uitgaat naar een analoog uitgangssignaal, kan de uitvoer van de audio-voorversterker aan de gebruiker worden gegeven. Als er echter een digitaal uitgangssignaal nodig is, wordt op dezelfde chip als de audio-voorversterker een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) ingebouwd. Pulsdichtheidsmodulatie (PDM) is het conventionele formaat dat wordt gebruikt voor digitale codering bij MEMS-microfoons en maakt communicatie mogelijk met slechts een enkele datalijn en een klok. Bovendien wordt het decoderen van het digitale signaal bij de ontvanger vergemakkelijkt door de een-bitcodering van de gegevens.

Afbeelding 2: links: toepassingsschema van een analoge MEMS-microfoon. Rechts: toepassingsschema van een digitale MEMS-microfoon (Bron afbeelding: Same Sky)

Elektret-condensatormicrofoons

De constructie van elektret-condensatormicrofoons (ECM) is te zien is in afbeelding 3.

Afbeelding 3: basisconstructie van een elektret-condensatormicrofoon (Bron afbeelding: Same Sky)

In een ECM is het elektretmembraan een materiaal met een vaste oppervlaktelading dat in de buurt van een geleidende plaat is geplaatst. Net als bij een MEMS-microfoon wordt een condensator gecreëerd met de luchtspleet die het diëlektricum vormt. Geluidsdrukgolven die het elektretmembraan bewegen, laten de waarde van de capaciteit veranderen, waardoor de spanning over de condensator varieert, ΔV = Q/ ΔC (Q = een vaste lading). Deze variaties in de condensatorspanning worden versterkt en gebufferd door een JFET in de microfoonbehuizing. De JFET is meestal ontworpen in een common-source-configuratie met een externe belastingsweerstand en gelijkstroom-blokkerende condensator in het externe toepassingscircuit.

Afbeelding 4: toepassingsschema van een ECM (Bron afbeelding: Same Sky)

Voordelen en minpunten

Bij het kiezen tussen een ECM- of een MEMS-microfoon moet rekening worden gehouden met tal van overwegingen. De vele voordelen die de nieuwere MEMS-microfoontechnologie biedt, zorgen ervoor dat het marktaandeel van deze microfoons snel groeit. Voor wie op zoek is naar oplossingen voor toepassingen met ruimtebeperkingen, zijn de compacte afmetingen van MEMS-microfoonpakketten bijvoorbeeld gunstig, evenals het feit dat er minder ruimte op de PCB nodig is en dat de kosten voor de onderdelen lager zijn; het resultaat van de integratie van zowel de analoge als de digitale circuits in de MEMS-microfoonset.

Bovendien is de combinatie tussen de relatief lage uitgangsimpedantie van analoge MEMS-microfoons en de uitgangen van digitale MEMS-microfoons perfect voor toepassingen in omgevingen met veel elektrische ruis. Ook kan het gebruik van MEMS-microfoontechnologie in trillingsgevoelige omgevingen het niveau van ongewenst, door mechanische trillingen geproduceerd geluid, verminderen. De halfgeleiderconstructietechnologie maakt het, in combinatie met de toevoeging van audio-voorversterkers, mogelijk om MEMS-microfoons te produceren met nauw op elkaar afgestemde, temperatuur-stabiele prestatiekenmerken, die hen perfect geschikt maken voor arraytoepassingen met meerdere microfoons. Gedurende het fabricageproces kunnen MEMS-microfoons ook de bij reflow-soldeerprocessen optredende temperatuurprofielen tolereren.

Ondanks de opkomst van MEMS-microfoons blijven in veel gevallen ook elektret-condensatormicrofoons een geschikte en haalbare oplossing. Aangezien veel oudere ontwerpen ECM's bevatten, kan het bij eenvoudige ontwerp-upgrades voor ingenieurs de eenvoudigste oplossing zijn om gewoon een ECM te blijven gebruiken. ECM's bieden ontwerpers ook meer montagemogelijkheden, met verschillende afsluitingstypen, zoals draden, pennen, soldeerpads, SMT en veercontacten. In situaties waar stof en vocht een probleem zijn, kunnen ECM-oplossingen dankzij hun grotere afmetingen gemakkelijk van hoge ingangsbeschermingsgraden (IP) worden voorzien. Voor toepassingen die een niet-uniforme ruimtelijke gevoeligheid vereisen, bestaan er bovendien ECM-producten met ofwel unidirectionele ofwel ruisonderdrukkende richtingsgevoeligheid. Hun brede bedrijfsspanningsbereik kan ook ideaal zijn bij toepassingen met los geregelde spanningsrails.

De juiste microfoon kiezen

Uiteindelijk is de keuze van microfoontechnologie afhankelijk van de beperkingen die door het project worden opgelegd. Hoewel het geen geheim is dat MEMS-microfoons vanwege hun talrijke intrinsieke voordelen in populariteit blijven toenemen, grijpt men voor veel toepassingen nog steeds terug op ECM's vanwege de verscheidenheid aan opties die deze bieden voor wat betreft de verpakking en de richtinggevoeligheid. Hoe dan ook, nog afgezien van de technologische keuzes, de Same Sky van de fabrikanten van elektronische onderdelen blijft zich ontwikkelen en biedt een breed scala aan microfoonproducten zodat men meer flexibiliteit krijgt wanneer het om audiobehoeften gaat.