Bên trong micro MEMS: Từ sóng âm đến tín hiệu số

1. Giới thiệu
2. Cách thức hoạt động
3. Cấu trúc phần cứng
4. Khả năng kỹ thuật âm thanh của Bestar
5. Kết luận

Giới thiệu
Trong nhiều thập kỷ, micro tụ điện electret (ECM) là thiết bị thay thế mặc định cho lĩnh vực âm thanh tiêu dùng. ECM có giá thành thấp, đơn giản và chức năng tốt. Tuy nhiên, chúng có một hạn chế cơ bản: chúng được chế tạo thủ công như các linh kiện analog, và do đó chất lượng không nhất quán giữa các sản phẩm, nhạy cảm với nhiệt độ và khó thu nhỏ để tích hợp vào điện thoại di động.
micro MEMS Đã thay đổi hoàn toàn. MEMS (Hệ thống vi cơ điện tử) là các thiết bị tích hợp các linh kiện cơ khí bên cạnh các mạch điện tử trên cùng một chip silicon, được tạo ra bằng cùng quy trình bán dẫn được sử dụng để chế tạo bộ xử lý và bộ nhớ. Áp dụng vào cảm biến âm thanh, điều này có nghĩa là có thể chế tạo một micro hoạt động ít giống như một thiết bị điện cơ truyền thống và giống hơn với một thiết bị bán dẫn chính xác.
Lợi ích thực tiễn là vô cùng to lớn. Thứ nhất, micro MEMS có tính nhất quán cao, quy trình sản xuất micro MEMS sử dụng tấm silicon thông qua kỹ thuật quang khắc, do đó, trong số hàng triệu micro cộng hưởng, độ nhạy và đáp ứng tần số được kiểm soát chặt chẽ. Thứ hai, tính ổn định nhiệt, micro MEMS có thể chịu được nhiệt độ hàn chảy của dây chuyền lắp ráp SMT, một nhiệt độ mà các ECM thông thường bị phá hủy. Thứ ba, kích thước gói MEMS thường chỉ 2,5 x 1,8mm hoặc nhỏ hơn, điều này giúp tạo ra các điện thoại thông minh siêu mỏng, tai nghe TWS, xe thông minh và các thiết bị IoT – những thứ đồng nghĩa với điện tử tiêu dùng hiện đại.
Những đặc tính này đã giúp micro MEMS trở thành tiêu chuẩn cho mọi ứng dụng mà chất lượng âm thanh, độ tin cậy trong sản xuất hoặc kích thước thiết bị được ưu tiên hàng đầu.

Nguyên lý hoạt động: Chuyển đổi âm thanh thành tín hiệu điện
MỘT Micro MEMS Nó hoạt động dựa trên nguyên lý biến thiên điện dung. Để hiểu cơ chế này, người ta chỉ cần những kiến ​​thức vật lý cơ bản nhất.
Tụ điện là một thiết bị lưu trữ điện tích giữa hai bản cực dẫn điện được ngăn cách bởi một khe hở. Điện dung (lượng điện tích tích trữ trong đó) tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản cực. Khi khoảng cách đó thay đổi, điện dung cũng thay đổi. Khi điện dung thay đổi trong một hệ thống tích điện, điện áp trong hệ thống đó cũng thay đổi. Sự thay đổi điện áp đó chính là tín hiệu điện.
Trong trường hợp micro MEMS, hai "tấm" là màng loa và tấm đỡ. Màng loa là một màng silicon mỏng và dẻo, nằm ở mặt sau của tấm đỡ là một điện cực cứng, có lỗ nhỏ, cách màng loa vài micromet. Sóng âm (sóng áp suất trong không khí) tác động lên màng loa và làm cho nó uốn cong. Sự uốn cong này làm thay đổi khoảng cách giữa màng loa và tấm đỡ, và điều này làm thay đổi điện dung, và chính điều đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng với áp suất âm thanh được truyền đi.
Tín hiệu tạo ra cực kỳ nhỏ, chỉ ở mức microvolt. Nó không thể truyền đi xa mà không được khuếch đại và xử lý. Đó chính là nguyên lý hoạt động của ASIC.
ASIC (Mạch tích hợp chuyên dụng) là chip silicon thứ hai được tìm thấy bên trong mỗi gói micro MEMS. Nó thực hiện ba chức năng. Thứ nhất, nó cung cấp điện áp phân cực ổn định cho phần tử điện dung (gọi là bơm điện tích, một mạch bên trong tạo ra điện áp phân cực mức DC để đạt được điện trường không đổi trên tụ điện). Thứ hai, nó là phương tiện chuyển đổi trở kháng, biến đổi đầu ra trở kháng cao của phần tử điện dung thành trở kháng điều khiển chuỗi tín hiệu của tín hiệu trở kháng thấp. Thứ ba, nó khuếch đại và, trong phiên bản kỹ thuật số, lấy tín hiệu đó và đưa về định dạng của một tín hiệu chuẩn.

Cấu trúc phần cứng: Cơ học vi mô của chất bán dẫn cấp độ cao
Chip MEMS (Chip cảm biến)
Piston là bộ phận chuyển động. Nó thường là một màng hình tròn hoặc hình chữ nhật làm bằng silicon, dày vài micromet, được cố định ở các cạnh và để tự do uốn cong ở giữa. Nó có độ cứng và khối lượng, quyết định độ nhạy và đặc tính đáp ứng tần số của micro. Màng mỏng hơn, lớn hơn có độ nhạy cao hơn nhưng độ cứng thấp hơn.
Mặt sau của tấm đế là điện cực cố định. Nó được đục một loạt các lỗ âm thanh, đủ nhỏ để đảm bảo độ cứng cấu trúc nhưng đủ lớn để đảm bảo luồng không khí, qua đó không có lực cản nhớt nào ngăn cản màng loa chuyển động. Khoảng cách giữa màng loa và tấm đế thường là 1-4 micromet. Duy trì kích thước này trong suốt quá trình sản xuất là một trong những vấn đề khi chế tạo các thiết bị âm thanh MEMS.
Chip xử lý tín hiệu (Chip ASIC)
ASIC thực hiện biến đổi trở kháng, tiền khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. Đối với các thiết bị đầu ra tương tự, nó cung cấp tín hiệu điện áp, đơn hoặc vi sai với độ khuếch đại cố định. Đối với các thiết bị đầu ra số, nó chứa bộ điều biến SD giúp chuyển đổi tín hiệu tương tự thành PDM (Điều chế mật độ xung) hoặc luồng bit I²S.
Bao bì & Khoang âm thanh
Hai chip (MEMS và ASIC) được gắn bên trong một gói gắn bề mặt, thường là vỏ LCC có nắp kim loại hoặc vỏ loại LGA bằng nhựa. Cổng âm thanh nằm ở phía dưới của gói (cổng đáy) hoặc cổng trên.
Microphone có lỗ thoát âm ở đáy được căn chỉnh sao cho lỗ thoát âm thẳng hàng với một lỗ trên mạch in bên dưới và thu âm từ phía dưới mạch. Microphone có lỗ thoát âm ở phía trên hướng về phía linh kiện và thu âm từ phía trên. Việc lựa chọn phụ thuộc vào hình dạng của thùng loa, yêu cầu về độ kín âm và hướng của nguồn âm cần thu.
Tỷ lệ giữa thể tích khoang trước và thể tích khoang sau (không gian ở hai bên màng loa) có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy và đáp ứng tần số thấp. Và khoang trước lớn hơn thường sẽ cải thiện khả năng tái tạo tần số thấp.

Khả năng kỹ thuật âm thanh của Bestar
Tuyệt vời nhất đã phát triển danh mục sản phẩm micro MEMS của mình thông qua việc đầu tư bền vững vào nghiên cứu âm thanh và kiểm soát quy trình ở cấp độ bán dẫn. Bên cạnh việc cung cấp linh kiện, Tuyệt vời nhất cũng có thể cung cấp các giải pháp.

Phần kết luận
Microphone MEMS là một thiết bị rất đáng chú ý. Nó chuyển đổi sự thay đổi áp suất không khí (âm thanh) thành thông tin điện với độ chính xác vượt trội và truyền về máy tính, trong một thiết bị nhỏ hơn cả hạt gạo.
Điều này có thể thực hiện được vì vật lý âm học và công nghệ sản xuất chất bán dẫn đã hội tụ. Nguyên lý tụ điện biến đổi đã được biết đến hơn một trăm năm. Điều thay đổi là khả năng chế tạo tụ điện đó, bao gồm cả màng chắn, tấm nền, khe hở với chi phí mà không cần độ chính xác ở mức vi dòng điện.
Nhìn xa hơn, đó là những micro sử dụng công suất microwatt, luôn hoạt động và chỉ kích hoạt thiết bị khi nhận được từ khóa cụ thể. Các dịch vụ vi mô xử lý giọng nói dựa trên AI hứa hẹn nhiều điều thú vị. Điều này đòi hỏi các công nghệ tiên tiến hơn nữa trong thiết kế ASIC tiết kiệm năng lượng và trong việc kết hợp cảm biến. Micro MEMS có vị thế tốt cho sự chuyển đổi này, hiệu quả và mật độ kết hợp của chúng khiến chúng trở thành nền tảng tự nhiên cho hoạt động tiếp theo của các thiết bị ưu tiên giọng nói.
Cho dù bạn đang đặt mua một linh kiện có sẵn hay muốn nhận tư vấn về việc thiết lập hệ thống âm thanh, vui lòng liên hệ với chúng tôi. liên hệ Tuyệt vời nhất, Tuyệt vời nhất Chúng tôi có mặt để hỗ trợ dự án của bạn từ giai đoạn lập kế hoạch ban đầu cho đến khi sẵn sàng sản xuất.