Vergleich von MEMS-Mikrofonen und Elektret-Kondensatormikrofonen (ECM)

8. Januar 2019 verfasst von Bruce Rose

Vergleich von MEMS-Mikrofonen und Elektret-Kondensatormikrofonen (ECM)

Vielleicht erinnern Sie sich noch an die Marketingkampagne vor einigen Jahren mit dem Satz: „Hörst du mich jetzt?“ Heutzutage werden immer mehr Geräte entworfen, von Wearables bis hin zu Heimassistenten, die ihre Umgebung „hören“ sollen. Das richtige Mikrofon ermöglicht es Anwendungen, nahezu jeden Ton genau zu erfassen, wobei die beiden gebräuchlichsten Technologien zur Herstellung von Mikrofonen MEMS und der Elektret-Kondensator sind. Obwohl beide Technologien nach ähnlichen Grundsätzen arbeiten, gibt es viele Anwendungsfälle, bei denen man sich für die eine oder die andere entscheiden sollte. Vor diesem Hintergrund werden wir uns die Grundlagen der MEMS- und Elektret-Kondensatormikrofone ansehen, die Unterschiede zwischen den Technologien vergleichen und die Vorteile jeder Lösung aufzeigen.

Grundlagen des MEMS-Mikrofons

MEMS-Mikrofone bestehen aus einer MEMS-Komponente (MEMS: mikroelektromechanisches System), die auf einer Leiterplatte angeordnet und mit einer mechanischen Abdeckung geschützt ist. Das Gehäuse enthält ein kleines Loch, damit Schall in das Mikrofon eindringen kann. Es gibt entweder ein oberes Loch, wenn es sich in der oberen Abdeckung befindet, oder ein unteres Loch, wenn es sich in der Leiterplatte befindet. Die MEMS-Komponente wird oft mit einer mechanischen Membran und einer Montagestruktur konstruiert, die auf einem Halbleiterchip erzeugt wird.

Diagramm einer MEMS-Mikrofonkonstruktion
Typische MEMS-Mikrofonkonstruktion

Die MEMS-Membran bildet einen Kondensator und Schalldruckwellen setzten die Membran in Bewegung. MEMS-Mikrofone enthalten gewöhnlich einen zweiten Halbleiterchip, der als Audiovorverstärker dient und die sich ändernde Kapazität des MEMS in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Ausgang des Audiovorverstärkers wird dem Benutzer zur Verfügung gestellt, wenn ein analoges Ausgangssignal gewünscht wird. Wenn ein digitales Ausgangssignal gewünscht wird, befindet sich ein Analog-Digital-Wandler (Analog-To-Digital-Converter, ADC) auf demselben Chip wie der Audiovorverstärker. Ein übliches Format, das für die digitale Codierung in MEMS-Mikrofonen verwendet wird, ist die Impulsdichtemodulation (Pulse Density Modulation, PDM), die die Kommunikation mit nur einem Taktgeber und einer einzelnen Datenleitung ermöglicht. Die Decodierung des digitalen Signals am Empfänger wird aufgrund der Einzelbit-Codierung der Daten vereinfacht.

Bild, das die Anwendungsschemas eines analogen und digitalen MEMS-Mikrofons vergleicht
Links: Analoges MEMS-Mikrofon-Anwendungsschema. Rechts: Digitales MEMS-Mikrofon-Anwendungsschema.

Grundlagen des Elektret-Kondensatormikrofons

Elektret-Kondensatormikrofone (ECM) sind wie in der nachstehenden Abbildung gezeigt aufgebaut.

Diagramm des Aufbaus eines Elektret-Kondensatormikrofons
Typischer Aufbau eines Elektret-Kondensatormikrofons

Eine Elektretmembran (Material mit fester Oberflächenladung) befindet sich in der Nähe einer leitfähigen Platte, und ähnlich wie bei MEMS-Mikrofonen wird ein Kondensator mit dem Luftspalt als Dielektrikum gebildet. Die Spannung am Kondensator variiert, wenn sich der Wert der Kapazität aufgrund von Schalldruckwellen ändert, die die Elektretmembran bewegen, ΔV = Q/ ΔC. Die Variationen der Kondensatorspannung werden durch einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor im Mikrofongehäuse verstärkt und gepuffert. Der Sperrschicht-Feldeffekttransistor befindet sich normalerweise in einer Konfiguration mit gemeinsamer Quelle, während in der externen Anwendungsschaltung ein externer Lastwiderstand und ein Gleichstromsperrkondensator verwendet werden.

Abbildung eines Elektret-Kondensator-Anwendungsschemas
Anwendungsschema eines ECMs

Unterschiede bei den Mikrofontechnologien

Bei der Auswahl zwischen einem ECM- und einem MEMS-Mikrofon gibt es viel zu bedenken. Der Marktanteil von MEMS-Mikrofonen wächst aufgrund der vielen Vorteile dieser neueren Technologie weiterhin rasch. Für Anwendungen mit geringem Platzangebot sind beispielsweise die für MEMS-Mikrofone verfügbaren kleinen Gehäusegrößen attraktiv, und dank der in der MEMS-Mikrofonkonstruktion enthaltenen analogen und digitalen Schaltungen können sowohl die Leiterplattenfläche als auch die Komponentenkosten reduziert werden. Die relativ niedrige Ausgangsimpedanz von analogen MEMS-Mikrofonen und die Ausgänge von digitalen MEMS-Mikrofonen sind ideal für Anwendungen in Umgebungen mit elektrischen Störungen. In Umgebungen mit starken Vibrationen kann die Verwendung der MEMS-Mikrofontechnologie den Pegel unerwünschter Geräusche reduzieren, die durch die mechanischen Vibrationen verursacht werden. Darüber hinaus ermöglichen die Halbleiterfertigungstechnologie und die Einbeziehung von Audiovorverstärkern die Herstellung von MEMS-Mikrofonen mit eng abgestimmten und temperaturstabilen Leistungseigenschaften. Diese engen Leistungseigenschaften sind besonders vorteilhaft, wenn MEMS-Mikrofone in Array-Anwendungen verwendet werden. Während der Produktherstellung können Bestückungsautomaten auch leicht mit MEMS-Mikrofonen umgehen und die MEMS-Mikrofone können die Temperaturprofile des Reflowlötens tolerieren.

Obwohl MEMS-Mikrofone immer beliebter werden, gibt es immer noch Anwendungen, bei denen ein Elektret-Kondensatormikrofon möglicherweise bevorzugt ist. In vielen älteren Designs wurden ECM verwendet. Wenn das Projekt ein einfaches Upgrade eines vorhandenen Designs ist, empfiehlt es sich, weiter ein ECM zu verwenden. Für den Anschluss eines ECMs an die Anwendungsschaltung stehen Pins, Drähte, SMT, Lötpads und Federkontakte zur Verfügung, die dem Konstrukteur zusätzliche Flexibilität beim Design bieten. Wenn der Schutz vor Staub und Feuchtigkeit ein Problem darstellt, sind ECM-Angebote mit hohem Schutzgrad aufgrund ihrer größeren Ausmessungen leicht zu finden. Für Projekte, die eine nicht einheitliche räumliche Empfindlichkeit erfordern, sind ECM-Produkte mit einer gerichteten Richtung (entweder in eine Richtung oder mit Rauschunterdrückung) erhältlich, während der breite Betriebsspannungsbereich von ECM die bevorzugte Lösung für Produkte mit lose regulierten Spannungsschienen sein kann.

Auswählen der geeigneten Mikrofontechnologie für Ihr Projekt

Die Entscheidung für den Einsatz von Elektret-Kondensatormikrofonen anstelle von MEMS-Mikrofonen hängt von den Anforderungen Ihres Projekts ab. Während MEMS-Mikrofone aufgrund ihrer vielen Vorteile immer beliebter werden, werden ECM aufgrund einer breiteren Palette an Verpackungs- und Richtungsoptionen immer noch in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Unabhängig von der gewählten Technologie wird CUI weiterhin eine breite Palette von Mikrofonprodukten entwickeln und anbieten, damit Ihr Projekt die erforderlichen Töne „hören“ kann.

Hilfreiche Ressourcen

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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