Dentro del micrófono MEMS: De la onda sonora a la señal digital

1. Introducción
2. Cómo funciona
3. Estructura del hardware
4. Capacidades de ingeniería acústica de Bestar
5. Conclusión

Introducción
Durante décadas, el micrófono de condensador electret (ECM) fue el estándar para la reproducción de audio en dispositivos de consumo. Los ECM son económicos, sencillos y funcionales. Sin embargo, presentan una limitación fundamental: se fabrican a mano, como los componentes analógicos, lo que provoca inconsistencias entre unidades, sensibilidad al calor y dificultades para integrarlos en un teléfono móvil.
micrófonos MEMS Un cambio radical. Los MEMS (Sistemas Microelectromecánicos) son dispositivos que integran componentes mecánicos y circuitos electrónicos en un mismo chip de silicio, mediante los mismos procesos de fabricación de semiconductores que se utilizan para producir procesadores y memorias. Aplicado a la detección acústica, esto permite crear micrófonos que se comportan más como un dispositivo semiconductor de precisión que como un dispositivo electromecánico tradicional.
Las ventajas prácticas son enormes. En primer lugar, los micrófonos MEMS ofrecen consistencia, ya que su proceso de fabricación utiliza obleas de silicio mediante fotolitografía, lo que permite un control estricto de la sensibilidad y la respuesta en frecuencia entre millones de unidades de micrófono resonante. En segundo lugar, presentan estabilidad térmica, pues soportan las temperaturas de soldadura por reflujo de las líneas de montaje SMT, a las que los micrófonos ECM convencionales se dañan. En tercer lugar, los encapsulados MEMS suelen tener un tamaño de 2,5 x 1,8 mm o inferior, lo que posibilita la creación de smartphones ultrafinos, auriculares TWS, vehículos inteligentes y dispositivos IoT, elementos característicos de la electrónica de consumo moderna.
Estas propiedades han convertido a los micrófonos MEMS en el estándar para cualquier aplicación en la que la calidad de audio, la fiabilidad de fabricación o la miniaturización del dispositivo sean una prioridad.

Cómo funciona: Convirtiendo el sonido en señal eléctrica
A Micrófono MEMS Funciona según el principio de variación de la capacitancia. Para comprender este mecanismo, basta con los principios más básicos de la física.
Un condensador es un dispositivo que almacena carga eléctrica entre dos placas conductoras separadas por un espacio. La capacitancia (la cantidad de carga almacenada) es inversamente proporcional a la distancia entre las placas. Al variar dicha distancia, la capacitancia también cambia. Cuando se produce un cambio en la capacitancia de un sistema cargado, se produce un cambio en el voltaje de dicho sistema. Este cambio de voltaje representa la señal eléctrica.
En el caso de un micrófono MEMS, las dos "placas" son el diafragma y la placa posterior. El diafragma es una membrana de silicio delgada y flexible, y en la parte posterior de la placa posterior se encuentra un electrodo rígido y perforado a unos pocos micrómetros de distancia. Las ondas sonoras (ondas de presión en el aire) ejercen presión sobre el diafragma y provocan su flexión. Esta flexión modifica la distancia entre el diafragma y la placa posterior, lo que a su vez cambia la capacitancia, y es esta última la que genera una señal de voltaje que corresponde a la presión sonora transmitida.
La señal generada es extremadamente débil, del orden de microvoltios. No puede transmitirse a larga distancia sin ser amplificada y acondicionada. Este es el funcionamiento del ASIC.
El ASIC (Circuito Integrado de Aplicación Específica) es el segundo chip de silicio que se encuentra en cada encapsulado de micrófono MEMS. Cumple tres funciones. Primero, proporciona una tensión de polarización estable al elemento capacitivo (denominado bomba de carga, un circuito interno que genera una tensión de polarización de nivel CC para lograr un campo eléctrico constante en el condensador). Segundo, realiza la conversión de impedancia, transformando la salida de alta impedancia del elemento capacitivo en la impedancia de entrada de la señal de baja impedancia. Tercero, amplifica la señal y, en versiones digitales, la convierte a un formato de señal estándar.

Estructura del hardware: La micromecánica de los semiconductores de grado
El chip MEMS (chip sensor)
El pistón es el elemento de movimiento. Generalmente es una membrana circular o rectangular de silicio, de unos pocos micrómetros de espesor, anclada en los bordes y con flexibilidad en el centro. Su rigidez y masa determinan la sensibilidad y la respuesta en frecuencia del micrófono. Los diafragmas más delgados y grandes ofrecen mayor sensibilidad, pero menor rigidez.
La superficie posterior de la placa trasera es el electrodo fijo. Está perforada con una serie de orificios acústicos, lo suficientemente pequeños para garantizar la rigidez estructural, pero lo suficientemente grandes para asegurar el flujo de aire, a través del cual no existe resistencia viscosa que impida el movimiento del diafragma. La separación entre el diafragma y la placa trasera suele ser de 1 a 4 micrómetros. Mantener esta dimensión durante todo el proceso de producción es uno de los desafíos en la fabricación de dispositivos acústicos MEMS.
El chip de procesamiento de señales (chip ASIC)
El ASIC realiza la transformación de impedancia, la preamplificación y la conversión analógica a digital. En el caso de dispositivos de salida analógica, proporciona una señal de voltaje, ya sea simple o diferencial, con ganancia fija. En dispositivos de salida digital, contiene el modulador SD, que transforma la señal analógica en PDM (Modulación por Densidad de Pulsos) o flujo de bits I²S.
Embalaje y cavidad acústica
Los dos chips (MEMS y ASIC) están montados dentro de un encapsulado de montaje superficial, generalmente una carcasa LCC con tapa metálica o una carcasa LGA de plástico. El puerto acústico se encuentra en la parte inferior del encapsulado (puerto inferior) o en la parte superior.
Los micrófonos con puerto inferior alinean la abertura acústica con un orificio en la placa de circuito impreso (PCB) inferior y captan el sonido desde abajo. Los micrófonos con puerto superior se abren hacia el lado de los componentes y reciben el sonido desde arriba. La elección depende de la geometría de la carcasa, los requisitos de sellado acústico y la dirección de la fuente de sonido.
La relación entre el volumen de la cavidad frontal y el de la cavidad posterior (los espacios a ambos lados del diafragma) influye directamente en la sensibilidad y la respuesta en bajas frecuencias. Por lo general, una cavidad frontal más grande mejora la extensión de las bajas frecuencias.

Capacidades de ingeniería acústica de Bestar
El mejor ha desarrollado su cartera de micrófonos MEMS a través de una inversión sostenida en investigación acústica y control de procesos a nivel de semiconductores. Más allá del suministro de componentes, El mejor También puede proporcionar soluciones.

Conclusión
Un micrófono MEMS es un dispositivo extraordinario. Transforma las variaciones de la presión del aire (sonido) en información eléctrica con una fidelidad excepcional, enviándola de vuelta al ordenador, todo ello en un formato más pequeño que un grano de arroz.
Esto es posible gracias a la convergencia de la física acústica y la fabricación de semiconductores. El principio del condensador variable se conoce desde hace más de cien años. Lo que ha cambiado es la capacidad de fabricar dicho condensador, incluyendo el diafragma, la placa posterior y el espacio entre electrodos, a un coste que no requiere un nivel de precisión de microcorriente.
De cara al futuro, los micrófonos que consumen microvatios de potencia, permanecen encendidos constantemente y activan el dispositivo solo al recibir una palabra clave específica, ofrecen perspectivas prometedoras para los microservicios de procesamiento de voz basados ​​en IA. Esto requiere tecnologías aún más avanzadas en el diseño de ASIC de bajo consumo y en la fusión de sensores. Los micrófonos MEMS se encuentran en una posición privilegiada para esta transición; su eficiencia y densidad de combinación los convierten en la base natural del funcionamiento futuro de los dispositivos con control por voz.
Ya sea que esté solicitando un componente estándar o desee recibir asesoramiento sobre la configuración de sistemas acústicos de cualquier tipo, por favor contacto El mejor, El mejor Estamos aquí para ayudarle con su proyecto, desde la especificación inicial hasta la preparación para la producción.