Jerad Lewis and Dr. Brian Moss, Analog Devices
מונע על-ידי האוכלוסייה המתבגרת והעלייה המודגשת באיבוד השמיעה, השוק של מכשירי השמיעה מוסיף לצמוח, אולם הממדים הגדולים שלהם וחיי הסוללה הקצרים מרחיקים הרבה לקוחות פוטנציאליים. בשעה שאיבוד השמיעה הופך ליותר ויותר נפוץ, האנשים יחפשו מכשירי שמיעה יותר קטנים, יותר יעילים ויותר איכותיים. בתחילת שרשרת האותות של מכשיר השמיעה, מיקרופונים חשים בקולות וברעשי רקע אחרים, כך שקליטת שמע משופרת עשויה להוביל לביצועים גבוהים יותר וצריכת הספק נמוכה יותר במהלך שרשרת האותות.
מיקרופונים הם מתמרים ההופכים את אותות השמע לאותות חשמליים שניתן לעבד על-ידי שרשרת אותות השמע של מכשיר השמיעה. סוגים רבים של טכנולוגיות משמשים להתמרה אקוסטית-לחשמלית זו, אך מיקרופוני קבלים התגלו כקטנים ביותר ומדויקים ביותר. הדיאפרגמה במיקרופוני קבלים נעה כתגובה לאות שמע. תנועה זו גורמת לשינוי בערך הקיבול, המשמש לאחר מכן לייצור אות חשמלי.
טכנולוגיה של מיקרופוני קבלי אלקטרט (Electret condenser microphone – ECM) היא הנפוצה ביותר במכשירי השמיעה. ECMs מחברים קבל משתנה עם לוח הבנוי מחומר בעל מטען חשמלי קבוע. ECMs מבוססים היטב בתעשיית מכשירי השמיעה של היום, אולם הטכנולוגיה מאחורי התקנים אלה נותרה ללא שינוי מאז ה-1960s. הביצועים, ההדירות והיציבות שלהם בטמפרטורה ותנאי סביבה אחרים אינם הטובים ביותר. מכשירי שמיעה ויישומים אחרים הרגישים לאיכות גבוהה ועקביות, מהווים הזדמנות עבור טכנולוגיית מיקרופונים חדשה המשפרת מגרעות אלו, ומאפשרת ליצרנים לייצר התקנים בעלי איכות ואמינות גבוהות יותר. טכנולוגיית המערכות המיקרו אלקטרו-מכניות
(microelectromechanical systems – MEMS) מובילה את המהפכה הבאה במיקרופוני קבלים. מיקרופוני MEMS מנצלים את ההתקדמות העצומה שנרשמה בטכנולוגיית הסיליקון במהלך העשור האחרון – הכוללת גיאומטריות ייצור קטנות ביותר, יציבות והדירות מצוינות, וצריכת הספק נמוכה – כאשר כל אלה הפכו לדרישות בלתי-מתפשרות של תעשיית הסיליקון. עד היום, צריכת ההספק ורמות הרעש של מיקרופוני MEMS היו גבוהות מידי מכדי להפוך אותם למתאימים לשימוש במכשירי שמיעה, אולם התקנים חדשים העונים לשני מפרטי-מפתח אלה מאפשרים כעת את הגל הבא של חידושים במיקרופונים למכשירי שמיעה.
הפעולה של מיקרופוני MEMS
כמו ה-ECMs, מיקרופוני MEMS פועלים בתור מיקרופוני קבל. מיקרופוני MEMS כוללים דיאפרגמה התלויה בצורה גמישה והחופשית לנוע מעל לוח אחורי קבוע, כאשר כל אלה מיוצרים על שבב סיליקון. מבנה זה יוצר קבל משתנה, בעל מטען קבוע המחובר בין הדיאפרגמה והלוח האחורי. גל לחץ קולי המגיע עובר דרך חורים בלוח האחורי וגורם לדיאפרגמה לנוע ביחס לאמפליטודה של גלי הדחיסה והדילול (rarefaction). תנועה זו משנה את המרחק בין הדיאפרגמה והלוח האחורי, אשר בתורו משנה את הקיבול, כמתואר באיור 1. בגין המטען הקבוע, שינוי קיבול זה מומר לאות חשמלי.
החיישן של המיקרופון מורכב על שבב סיליקון תוך שימוש בתהליכי ייצור דומים למעגלים משולבים אחרים (ICs). שלא כמו בטכנולוגיות ייצור ECM, תהליכי הייצור של סיליקון הם מאוד מדויקים והדירים ביותר. כל פריט של מיקרופון MEMS המיוצר על שבב יתפקד כמו כל אלמנט אחר על שבב זה – וכמו כל אלמנט בשבבים שונים המיוצרים במהלך השנים הרבות בחיי המוצר.
ייצור הסיליקון משתמש בסדרת תהליכי שיקוע וצריבה בסביבה מבוקרת היטב לשם יצירה של אוסף הצורות במתכת ובפולי סיליקון המרכיבות מיקרופון MEMS. הגיאומטריות הכרוכות בבניית מיקרופוני MEMS הן בסדר גודל של מיקרונים (µm). החורים בלוח האחורי דרכם עוברים גלי הקול יכולים להיות בקוטר של פחות מ-10 מיקרונים ועובי הדיאפרגמה יכול להיות בסדר גודל של 1 מיקרון. הרווח בין הדיאפרגמה והלוח האחורי הוא בסדר גודל של מיקרונים אחדים. איור 2 מראה תמונת SEM של מתמר של מיקרופון MEMS טיפוסי, במבט מלמעלה (מצד הדיאפרגמה); איור 3 מראה את החתך דרך מרכז אלמנט זה של המיקרופון. בתכנון זה, גלי הקול נכנסים למיקרופון דרך החלל בתחתית האלמנט ועוברים דרך חורי הלוח האחורי לשם עירור הדיאפרגמה.
מאחר שהגיאומטריות מבוקרות היטב תוך כדי תהליך הייצור, הביצועים בין מיקרופונים שונים הם הדירים ביותר. יתרון אחר של השימוש בטכנולוגיית MEMS לבניית מיקרופונים הוא בכך שהדיאפרגמה היא קטנה ביותר, וכתוצאה המסה היא נמוכה ביותר והמיקרופון הוא הרבה פחות חשוף לרעידות מאשר ה-ECM, אשר לו דיאפרגמה הרבה יותר מאסיבית.
התפתחות, הדירות ויציבות
מיקרופוני MEMS התפתחו עד לשלב בו הם משמשים כעת כברירת המחדל עבור יישומי לכידת שמע רבים הדורשים ממדים קטנים וביצועים גבוהים, אולם מרבית המיקרופונים המסחריים אינם מתאימים לתעשיית מכשירי השמיעה, הדורשת רכיבים הרבה יותר קטנים ובעלי צריכת הספק נמוכה יותר; ביצועי רעש טובים יותר; ואמינות משופרת, יציבות סביבתית והדירות בין התקן להתקן. טכנולוגיית מיקרופוני ה-MEMS נמצאת כיום בשלב בו כל אלה ניתנים למימוש: מארזים קטנים ביותר, צריכת הספק נמוכה ביותר, ורעש מבוא שווה-ערך נמוך ביותר.
בקרה הדוקה של תהליך ייצור הסיליקון גורמת ליציבות ושינויי הביצועים בין התקנים של מיקרופוני MEMS טובים יותר משמעותית מאשר של ECMs. איור 4 מראה היענות לתדר מנורמלת של מיקרופוני MEMS אחדים מאותו דגם; איור 5 מראה את היענות התדר המנורמלת של ECMs שונים. היענות התדר של כל המיקרופונים MEMS היא כמעט זהה, בעוד שזו של ה-ECM מראה שוני משמעותי בין התקנים שונים, במיוחד בתדרים גבוהים ונמוכים.
מיקרופוני MEMS גם מציגים יציבות מצוינת בתחום טמפרטורה רחב. איור 6 מראה את השינוי ברגישות בשעה שטמפרטורת הסביבה משתנה בין -40oC ו+85oC. הקו השחור מציג שינוי של פחות מ–0.5dB בתחום הטמפרטורה עבור מיקרופון MEMS, בעוד ה-ECMs מראים שינוי של עד 8-dB בטמפרטורה.
לתכנונים של מיקרופוני MEMS יש גם דחיית ספקי כוח משופרת משמעותית בהשוואה ל-ECMs, עם יחס דחיית ספקי כוח PSRR
(power-supply rejection ratio) טובה יותר
מ-50dB. אות המוצא ומתח המשוב (הספק) מחוברים לפין משותף ב-ECM, כך שכל גליות בספק הכוח מופיעה ישירות על אות המוצא. ה-PSRR המצוין של מיקרופוני MEMS מאפשר חופש בתכנון מעגל השמע שאיננו אפשרי עם ECMs. דבר זה עשוי לגרום למספר רכיבים ועלות מערכת מוקטנים.
ביישומים זעירים, מוזני סוללה, כמו מכשירי שמיעה, כל מיקרו-ואט של הספק הוא קריטי. אין אפשרות של כיבוי רגעי של מיקרופונים כדי לחסוך בהספק כאשר מכשיר השמיעה מופעל, כך שצריכת ההספק הממשית של המיקרופון היא בעלת חשיבות מכרעת. מיקרופוני ECM אופייניים המשמשים למכשירי שמיעה יכולים לצרוך 35µA כאשר הם מוזנים במתחי סוללה טיפוסיים Zn-air
( עד 1.4 וולט). צריכת הזרם של מיקרופוני MEMS עשויה להיות פחות מחצי במתח דומה, ויאפשרו בכך אורך חיים יותר ארוך בין החלפת הסוללה.
לדור האחרון של מקרופוני MEMS ביצועי רעש והספק מצוינים כנדרש בתעשיית מכשירי השמיעה. Analog Devices צברה יותר מ-20 שנות ניסיון בטכנולוגיית MEMS לשם ייצור של מיקרופונים איכותיים שניתנים לשימוש בשוק מכשירי השמיעה. מיקרופוני MEMS כלל-כיווניים טיפוסיים מציגים רעש מבוא שווה-ערך (equivalent input noise) של
(, רוחב-פס 8 קילו-הרץ), ובכך הם מתאימים ליישומי מכשירי שמיעה. ביצועי הרעש EIN של שליש אוקטאבה, המשמשים לרוב למפרטי מיקרופונים למכשירי שמיעה, הם טובים ביותר כמתואר באיור 7. רמה זו של ביצועי רעש מושגת עם צריכת זרם של רק 17 מיקרו-אמפר במתחי סוללות של מכשירי שמיעה טיפוסיים. המיקרופונים ניתנים להזמנה במארזים זעירים בעלי נפח כולל של פחות מ-7.5 ממ3 כמוצג באיור 8.
סיכום
מיקרופוני MEMS חדשים בעלי ביצועים מעולים והספק נמוך מוכיחים שהם יהיו הדור הבא של טכנולוגיית מיקרופונים עבור מכשירי שמיעה. מיקרופוני MEMS יכולים להתחרות בביצועים עם מיקרופוני ECM רבים ויכולים לעלות על טכנולוגיית ה-ECM בתחומים רבים כגון הדירות, יציבות, ממדים, ייצוריות וצריכת הספק. מיקרופוני MEMS מהווים את העתיד עבור מכשירי שמיעה, והעתיד הוא כבר כאן.
מחברים
Jerad Lewis is a MEMS microphone applications engineer at InvenSense, Inc.
He received his BSEE from Penn State University in 2001, and is currently pursuing an MEng degree in acoustics. Prior to transferring to InvenSense, Jerad worked at ADI, supporting various audio ICs, including SigmaDSP, converters®, and MEMS microphones.
Dr. Brian Moss is an applications engineer at InvenSense. He received his BEng (Hons) degree from Middlesex University, London in 1996, and was awarded a PhD in 2011 following research entitled, Constrained Gas Flow Temperature Measurement Using Passive Acoustics. Prior to transferring to InvenSense, Brian worked at ADI and was a pro-rata lecturer with the University of Limerick
