Das Innere des MEMS-Mikrofons: Von der Schallwelle zum digitalen Signal

1. Einleitung
2. So funktioniert es
3. Hardwarestruktur
4. Bestars Kompetenzen im Bereich Akustik
5. Schlussfolgerung

Einführung
Jahrzehntelang galt das Elektret-Kondensatormikrofon (ECM) als Standard für die Audiowiedergabe im Consumerbereich. ECMs sind kostengünstig, einfach und funktional. Sie weisen jedoch eine grundlegende Einschränkung auf: Da sie wie analoge Bauteile in Handarbeit gefertigt werden, sind sie von Stück zu Stück inkonsistent, hitzeempfindlich und lassen sich nur schwer in Mobiltelefone integrieren.
MEMS-Mikrofone Die Technologie hat sich grundlegend verändert. MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) sind Bauelemente, die neben elektronischen Schaltungen auch mechanische Komponenten auf demselben Siliziumchip integrieren. Sie werden mit denselben Halbleiterprozessen hergestellt wie Prozessoren und Speicher. In der akustischen Sensorik bedeutet dies, dass ein Mikrofon entwickelt werden kann, das weniger wie ein herkömmliches elektromechanisches Bauteil und mehr wie ein präzises Halbleiterbauelement funktioniert.
Die praktischen Vorteile sind enorm. Erstens zeichnen sich MEMS-Mikrofone durch hohe Konsistenz aus. Da sie im Fotolithografie-Verfahren aus Siliziumwafern gefertigt werden, lassen sich Empfindlichkeit und Frequenzgang bei Millionen von Resonanzmikrofonen präzise steuern. Zweitens bieten sie thermische Stabilität. MEMS-Mikrofone sind den hohen Reflow-Löttemperaturen von SMT-Fertigungslinien gewachsen – Temperaturen, bei denen herkömmliche ECMs zerstört werden. Drittens sind MEMS-Gehäuse üblicherweise 2,5 x 1,8 mm oder kleiner. Dies ermöglicht ultradünne Smartphones, TWS-Ohrhörer, intelligente Fahrzeuge und IoT-Geräte, die heute typisch für moderne Unterhaltungselektronik sind.
Diese Eigenschaften haben MEMS-Mikrofone zum Standard für alle Anwendungen gemacht, bei denen Audioqualität, Fertigungssicherheit oder Miniaturisierung der Geräte Priorität haben.

So funktioniert es: Umwandlung von Schall in elektrische Signale
A MEMS-Mikrofon Es funktioniert nach dem Prinzip der Kapazitätsänderung. Um diesen Mechanismus zu verstehen, benötigt man nur einfachste physikalische Kenntnisse.
Ein Kondensator ist ein elektrischer Speicher, der elektrische Ladung zwischen zwei durch einen Spalt getrennten, leitenden Platten speichert. Die Kapazität (die gespeicherte Ladungsmenge) ist umgekehrt proportional zum Plattenabstand. Ändert sich dieser Abstand, ändert sich auch die Kapazität. Eine Änderung der Kapazität in einem geladenen System führt zu einer Änderung der Spannung. Diese Spannungsänderung stellt das elektrische Signal dar.
Bei einem MEMS-Mikrofon bestehen die beiden „Platten“ aus der Membran und der Rückplatte. Die Membran ist eine dünne, flexible Siliziummembran. Auf der Rückseite der Rückplatte befindet sich wenige Mikrometer dahinter eine starre, perforierte Elektrode. Schallwellen (Druckwellen in der Luft) drücken auf die Membran und versetzen sie in Schwingung. Diese Schwingung verändert den Abstand zwischen Membran und Rückplatte, wodurch sich die Kapazität ändert. Daraus entsteht ein Spannungssignal, das dem übertragenen Schalldruck entspricht.
Das erzeugte Signal ist extrem klein, im Mikrovoltbereich. Es kann ohne Verstärkung und Aufbereitung keine längere Strecke zurücklegen. So funktioniert der ASIC.
Der ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ist der zweite Siliziumchip, der in jedem MEMS-Mikrofongehäuse verbaut ist. Er erfüllt drei Funktionen: Erstens versorgt er das kapazitive Element (die sogenannte Ladungspumpe, eine interne Schaltung, die eine Gleichspannung erzeugt, um ein konstantes elektrisches Feld am Kondensator zu gewährleisten) mit einer stabilen Vorspannung. Zweitens wandelt er die Impedanz des kapazitiven Elements in die Ansteuerimpedanz des niederohmigen Signals um. Drittens verstärkt er das Signal und wandelt es – in digitalen Versionen – in ein Standardsignalformat um.

Hardwarestruktur: Die Mikromechanik von Halbleiterqualität
Der MEMS-Chip (Sensorchip)
Der Kolben ist das Bewegungselement. Er besteht üblicherweise aus einer kreisförmigen oder rechteckigen, wenige Mikrometer dicken Siliziummembran, die an den Rändern befestigt ist und sich in der Mitte frei biegen kann. Seine Steifigkeit und Masse bestimmen die Empfindlichkeit und den Frequenzgang des Mikrofons. Dünnere, größere Membranen weisen eine höhere Empfindlichkeit, aber eine geringere Steifigkeit auf.
Die Rückseite der Rückplatte bildet die stationäre Elektrode. Sie ist mit einer Anordnung von akustischen Öffnungen versehen, die klein genug sind, um die strukturelle Stabilität zu gewährleisten, aber groß genug, um einen Luftstrom zu ermöglichen, durch den kein viskoser Widerstand die Bewegung der Membran behindert. Der Spalt zwischen Membran und Rückplatte beträgt üblicherweise 1–4 Mikrometer. Die Einhaltung dieser Abmessung während des gesamten Produktionsprozesses ist eine der Herausforderungen bei der Herstellung von MEMS-Akustikbauteilen.
Der Signalverarbeitungschip (ASIC-Chip)
Der ASIC führt Impedanztransformation, Vorverstärkung und Analog-Digital-Wandlung durch. Bei analogen Ausgabegeräten liefert er ein Spannungssignal, entweder symmetrisch oder differenziell, mit fester Verstärkung. Bei digitalen Ausgabegeräten enthält er den SD-Modulator, der das analoge Signal in einen PDM- (Pulsdichtemodulation) oder I²S-Bitstrom umwandelt.
Gehäuse & Akustikhohlraum
Die beiden Chips (MEMS und ASIC) sind in einem SMD-Gehäuse montiert, üblicherweise einem LCC-Gehäuse mit Metalldeckel oder einem LGA-Gehäuse aus Kunststoff. Der akustische Anschluss befindet sich entweder an der Unterseite (Bottom Port) oder an der Oberseite des Gehäuses.
Mikrofone mit Bodenanschluss richten ihre akustische Öffnung auf eine Öffnung in der darunterliegenden Leiterplatte aus und nehmen den Schall von unten auf. Mikrofone mit Top-Port öffnen sich zur Bauteilseite und empfangen den Schall von oben. Die Wahl hängt von der Geometrie des verwendeten Gehäuses, den Anforderungen an die Schallabdichtung und der Richtung der Schallquelle ab.
Das Verhältnis des Volumens des vorderen zum hinteren Resonanzraums (der Räume beidseitig der Membran) hat einen direkten Einfluss auf die Empfindlichkeit und den Tieftonbereich. Ein größerer vorderer Resonanzraum verbessert im Allgemeinen die Tieftonwiedergabe.

Akustik-Engineering-Kompetenzen von Bestar
Der beste hat sein Portfolio an MEMS-Mikrofonen durch kontinuierliche Investitionen in die Akustikforschung und die Prozesskontrolle auf Halbleiterebene weiterentwickelt. Neben der Lieferung von Komponenten, Der beste können auch Lösungen anbieten.

Abschluss
Ein MEMS-Mikrofon ist ein bemerkenswertes Gerät. Es wandelt Luftdruckschwankungen (Schall) mit außergewöhnlicher Genauigkeit in elektrische Informationen um, die an den Computer zurückgesendet werden – und das in einem Gehäuse, das kleiner als ein Reiskorn ist.
Dies ist möglich, weil Akustik und Halbleiterfertigung zusammengeführt wurden. Das Prinzip des variablen Kondensators ist seit über hundert Jahren bekannt. Neu ist die Möglichkeit, diesen Kondensator – inklusive Membran, Rückplatte und Luftspalt – kostengünstig und mit höchster Mikrostrompräzision herzustellen.
Mit Blick auf die Zukunft sind es Mikrofone, die mit Mikrowattstunden Leistung arbeiten, permanent aktiv sind und ein Gerät nur dann aktivieren, wenn ein bestimmtes Schlüsselwort empfangen wird. Sprachverarbeitungs-Mikrodienste mit KI-Unterstützung sind vielversprechend. Dies erfordert noch fortschrittlichere Technologien im Bereich des energiesparenden ASIC-Designs und der Sensorfusion. MEMS-Mikrofone sind für diesen Wandel bestens gerüstet; ihre Effizienz und Kombinationsdichte machen sie zur natürlichen Grundlage für die zukünftige Funktionsweise sprachgesteuerter Geräte.
Egal, ob Sie eine Standardkomponente bestellen oder sich zur Einrichtung eines Akustiksystems jeglicher Art beraten lassen möchten, bitte Kontakt Der beste, Der beste Wir unterstützen Sie bei Ihrem Projekt von der ersten Spezifikation bis zur Produktionsreife.