Как спроектировать шумомер на основе МЭМС?
МЭМС — это микроэлектромеханические системы, которые изготавливаются с использованием тех же материалов (обычно кремния) и методов травления, которые используются для изготовления микроэлектронных схем. Эти методы позволяют создавать микро- и наноструктуры с высокой точностью и воспроизводимостью. Микрофоны MEMS очень маленькие, но очень чувствительные (минимальный уровень шума обычно лучше 30 дБА). Многие МЭМС-микрофоны интегрируют микросхемы усиления и цифровой выборки на уровне устройства (даже на уровне микросхемы), тем самым напрямую обеспечивая цифровые сигналы и снижая стоимость других частей системы или инструмента. Кроме того, прямая интеграция аналого-цифровой схемы на уровне устройства устраняет электромагнитные помехи, связанные с аналоговыми входными линиями в обычных конструкциях.
МЭМС-микрофоны изготавливаются с использованием строго контролируемого процесса микротравления, поэтому индивидуальные характеристики каждого МЭМС-микрофона чрезвычайно стабильны. Они очень линейны (0,1 процента общих гармонических искажений (HD) или лучше при 1 кГц/94 дБ SPL) и имеют широкий динамический диапазон (обычно от 30 дБА до 120 дБА). Кроме того, микрофоны MEMS мало чувствительны к изменениям температуры, а диафрагмы их микрофонов настолько малы и тонки, что они более чем в 10 раз менее чувствительны к вибрации, чем электростатические микрофоны. Кроме того, микрофоны MEMS широко доступны на рынке бытовой электроники, поэтому они также очень дешевы. Их чувствительность остается очень стабильной с течением времени и обычно не требует повторной калибровки, чтобы оставаться в пределах спецификаций типа I.
Эти преимущества делают МЭМС-микрофоны идеальными для дизайна. Конечно, микрофоны MEMS имеют некоторые недостатки, которые необходимо компенсировать, если они хотят разработать эффективный измеритель уровня звука.
Поскольку микрофоны MEMS передают цифровые сигналы на уровне устройства, невозможно удалить чувствительную к давлению полость из схемы и изолированно протестировать аналоговую связь. Все соответствующие стандарты для шумомеров были написаны в 1970-х годах и предполагали, что конструкция шумомера состоит из одного резонатора микрофона, управляющего цепочкой аналоговой обработки или аналого-цифрового преобразователя (АЦП), за которым следует цепочка цифровой обработки. Это требует использования электрических сигналов вместо микрофонов для проверки шумомеров. Микрофоны MEMS, с другой стороны, завершают аналого-цифровое преобразование на уровне устройства, а это означает, что даже если шумомер может иметь характеристики, необходимые для соответствия стандарту, его нельзя протестировать с использованием методов, указанных в тот стандарт.
Из-за очень малого размера кремниевых структур МЭМС-микрофонов даже мельчайшие частицы пыли могут легко попасть в полость микрофона и повредить его. Чрезвычайно высокие статические и динамические нагрузки (обычно выше 160 дБ SPL) также могут привести к повреждению этих небольших кремниевых структур.
Микрофоны MEMS обычно имеют резкие резонансы в диапазоне от 10 до 20 кГц. Требуется поправка на этот резонанс, чтобы частотная характеристика шумомера находилась в пределах соответствующего стандарта.
