ภายในไมโครโฟน MEMS: จากคลื่นเสียงสู่สัญญาณดิจิทัล

1. บทนำ
2. วิธีการทำงาน
3. โครงสร้างฮาร์ดแวร์
4. ความสามารถด้านวิศวกรรมเสียงของ Bestar
5. บทสรุป

การแนะนำ
เป็นเวลานานหลายทศวรรษที่ไมโครโฟนคอนเดนเซอร์แบบอิเล็กเตรต (ECM) เป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์เสียงสำหรับผู้บริโภค ไมโครโฟน ECM มีราคาถูก เรียบง่าย และใช้งานได้ดี แต่ก็มีข้อจำกัดพื้นฐานอยู่ประการหนึ่ง คือมันถูกผลิตขึ้นด้วยมือเหมือนกับชิ้นส่วนอนาล็อกทั่วไป ทำให้คุณภาพเสียงไม่สม่ำเสมอในแต่ละเครื่อง ไวต่อความร้อน และยากที่จะย่อขนาดให้เล็กลงในโทรศัพท์มือถือได้
ไมโครโฟน MEMS เปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิงแล้ว MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) คืออุปกรณ์ที่มีอุปกรณ์เชิงกลควบคู่ไปกับวงจรไฟฟ้าบนชิปซิลิคอนเดียวกัน สร้างขึ้นโดยกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบเดียวกับที่ใช้ในการผลิตโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำ เมื่อนำมาประยุกต์ใช้กับการตรวจจับเสียง หมายความว่าเราสามารถสร้างไมโครโฟนที่ทำงานได้ไม่เหมือนไมโครโฟนเชิงกลแบบดั้งเดิม แต่ทำงานเหมือนอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความแม่นยำสูง
ประโยชน์ในทางปฏิบัติมีมากมายมหาศาล ประการแรก ไมโครโฟน MEMS มีความสม่ำเสมอ กระบวนการผลิตไมโครโฟน MEMS ใช้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผ่านกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี ดังนั้นในบรรดาหน่วยไมโครโฟนที่สร้างเสียงสะท้อนนับล้านหน่วย ความไวและการตอบสนองความถี่จึงถูกควบคุมอย่างเข้มงวด ประการที่สอง ความเสถียรทางความร้อน ไมโครโฟน MEMS สามารถทนต่ออุณหภูมิการบัดกรีแบบรีโฟลว์ของสายการประกอบ SMT ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ ECM แบบดั้งเดิมจะเสียหาย ประการที่สาม แพ็คเกจ MEMS มีขนาด 2.5 x 1.8 มม. หรือเล็กกว่านั้น ซึ่งทำให้สมาร์ทโฟนบางเฉียบ หูฟังไร้สาย TWS รถยนต์อัจฉริยะ และอุปกรณ์ IoT ที่เป็นสัญลักษณ์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคในปัจจุบันเป็นไปได้
คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ไมโครโฟน MEMS กลายเป็นมาตรฐานสำหรับการใช้งานใดๆ ที่ให้ความสำคัญกับคุณภาพเสียง ความน่าเชื่อถือในการผลิต หรือการลดขนาดของอุปกรณ์

วิธีการทำงาน: การแปลงเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า
เอ ไมโครโฟน MEMS หลักการทำงานคือการเปลี่ยนแปลงของค่าความจุไฟฟ้า ในการทำความเข้าใจกลไกนี้ เราจำเป็นต้องใช้เพียงหลักฟิสิกส์พื้นฐานที่สุดเท่านั้น
ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์เก็บประจุไฟฟ้าที่กักเก็บประจุไฟฟ้าไว้ระหว่างแผ่นตัวนำสองแผ่นที่คั่นด้วยช่องว่าง ความจุ (ปริมาณประจุที่บรรจุอยู่ในตัวเก็บประจุ) แปรผกผันกับระยะห่างระหว่างแผ่นตัวนำ เมื่อระยะห่างนั้นเปลี่ยนไป ความจุก็จะเปลี่ยนไปด้วย เมื่อความจุเปลี่ยนแปลงในระบบที่มีประจุ แรงดันไฟฟ้าในระบบนั้นก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้านั้นแสดงถึงสัญญาณไฟฟ้า
ในกรณีของไมโครโฟน MEMS นั้น "แผ่น" สองแผ่นคือไดอะแฟรมและแผ่นหลัง ไดอะแฟรมเป็นเยื่อซิลิคอนบางและยืดหยุ่นได้ ด้านหลังของแผ่นหลังจะมีอิเล็กโทรดแข็งที่มีรูพรุนอยู่ห่างออกไปไม่กี่ไมครอน คลื่นเสียง (คลื่นความดันในอากาศ) จะดันไดอะแฟรมและทำให้มันโค้งงอ การโค้งงอนั้นจะเปลี่ยนช่องว่างระหว่างไดอะแฟรมและแผ่นหลัง และการเปลี่ยนแปลงนี้จะส่งผลต่อค่าความจุไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกับความดันเสียงที่ส่งผ่านไป
สัญญาณที่สร้างขึ้นนั้นมีขนาดเล็กมาก อยู่ในระดับไมโครโวลต์ จึงไม่สามารถส่งผ่านระยะทางไกลได้โดยไม่ได้รับการขยายและปรับสภาพ นี่คือหลักการทำงานของ ASIC
ASIC (Application Specific Integrated Circuit) คือชิปซิลิคอนตัวที่สองที่พบได้ในทุกแพ็คเกจไมโครโฟน MEMS มันทำหน้าที่สามอย่าง อย่างแรก คือ จ่ายแรงดันไบแอสที่เสถียรให้กับองค์ประกอบตัวเก็บประจุ (เรียกว่า charge pump ซึ่งเป็นวงจรภายในที่สร้างแรงดันโพลาไรเซชันระดับ DC เพื่อให้ได้สนามไฟฟ้าคงที่ทั่วตัวเก็บประจุ) อย่างที่สอง คือ ทำหน้าที่แปลงอิมพีแดนซ์ โดยเปลี่ยนเอาต์พุตอิมพีแดนซ์สูงขององค์ประกอบตัวเก็บประจุให้เป็นอิมพีแดนซ์ต่ำของสัญญาณขับเคลื่อนในวงจรสัญญาณ และอย่างที่สาม คือ ขยายสัญญาณ และในเวอร์ชันดิจิทัล จะแปลงสัญญาณนั้นให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณมาตรฐาน

โครงสร้างฮาร์ดแวร์: กลศาสตร์ระดับไมโครของเซมิคอนดักเตอร์
ชิป MEMS (ชิปตรวจจับ)
ลูกสูบเป็นส่วนประกอบที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ โดยปกติจะเป็นแผ่นบางทรงกลมหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ทำจากซิลิคอน หนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร ยึดติดอยู่กับขอบและปล่อยให้ยืดหยุ่นได้จากตรงกลาง ความแข็งและความมวลของลูกสูบเป็นตัวกำหนดความไวและลักษณะการตอบสนองความถี่ของไมโครโฟน แผ่นไดอะแฟรมที่บางและใหญ่กว่าจะมีความไวมากกว่า แต่มีความแข็งแรงน้อยกว่า
พื้นผิวด้านหลังของแผ่นรองด้านหลังคืออิเล็กโทรดคงที่ มีรูอะคูสติกเจาะอยู่เป็นแถว รูเหล่านี้มีขนาดเล็กพอที่จะทำให้โครงสร้างแข็งแรง แต่ใหญ่พอที่จะทำให้มีอากาศไหลผ่านได้ โดยไม่มีแรงต้านทานจากความหนืดมาขัดขวางการเคลื่อนที่ของไดอะแฟรม ช่องว่างระหว่างไดอะแฟรมกับแผ่นรองด้านหลังโดยปกติจะมีขนาด 1-4 ไมโครเมตร การรักษาขนาดนี้ให้คงที่ตลอดกระบวนการผลิตเป็นหนึ่งในปัญหาของการผลิตอุปกรณ์อะคูสติก MEMS
ชิปประมวลผลสัญญาณ (ชิป ASIC)
ASIC ทำหน้าที่แปลงอิมพีแดนซ์ ขยายสัญญาณล่วงหน้า และแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล ในกรณีของอุปกรณ์เอาต์พุตอนาล็อก จะให้สัญญาณแรงดันไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นแบบเดี่ยวหรือแบบดิฟเฟอเรนเชียลด้วยอัตราขยายคงที่ สำหรับอุปกรณ์เอาต์พุตดิจิทัล จะมีตัวปรับสัญญาณ SD ซึ่งแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็น PDM (Pulse Density Modulation) หรือบิตสตรีม I²S
บรรจุภัณฑ์และช่องเก็บเสียง
ชิปทั้งสองตัว (MEMS และ ASIC) ถูกติดตั้งอยู่ภายในแพ็คเกจแบบติดตั้งบนพื้นผิว ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นตัวเรือน LCC ที่มีฝาโลหะ หรือตัวเรือนแบบ LGA ที่มีพลาสติก พอร์ตเสียงจะอยู่ด้านล่างของแพ็คเกจ (พอร์ตด้านล่าง) หรือพอร์ตด้านบน
ไมโครโฟนแบบรับเสียงจากด้านล่างจะจัดตำแหน่งช่องรับเสียงให้ตรงกับรูในแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้านล่าง และรับเสียงจากด้านล่างของแผงวงจรพิมพ์ ในขณะที่ไมโครโฟนแบบรับเสียงจากด้านบนจะเปิดออกไปทางด้านชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และรับเสียงจากด้านบน การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับรูปทรงของตัวกล่องที่ใช้ ข้อกำหนดด้านการปิดผนึกเสียง และทิศทางของแหล่งกำเนิดเสียงเป้าหมาย
อัตราส่วนของปริมาตรช่องด้านหน้าต่อปริมาตรช่องด้านหลัง (ช่องว่างทั้งสองด้านของไดอะแฟรม) มีผลโดยตรงต่อความไวและการตอบสนองความถี่ต่ำ และโดยทั่วไปแล้ว ช่องด้านหน้าที่มีขนาดใหญ่กว่าจะช่วยปรับปรุงการขยายความถี่ต่ำได้ดีขึ้น

ความสามารถด้านวิศวกรรมเสียงของเบสตาร์
ที่สุด บริษัทได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ไมโครโฟน MEMS ผ่านการลงทุนอย่างต่อเนื่องในการวิจัยด้านเสียงและการควบคุมกระบวนการผลิตระดับเซมิคอนดักเตอร์ นอกเหนือจากการจัดหาชิ้นส่วนแล้ว ที่สุด นอกจากนี้ยังสามารถนำเสนอแนวทางแก้ไขได้อีกด้วย

บทสรุป
ไมโครโฟน MEMS เป็นอุปกรณ์ที่น่าทึ่งมาก มันแปลงการเปลี่ยนแปลงของความดันอากาศ (เสียง) ให้เป็นข้อมูลทางไฟฟ้าด้วยความแม่นยำสูง ส่งกลับไปยังคอมพิวเตอร์ ในขนาดที่เล็กกว่าเมล็ดข้าว
สิ่งนี้เป็นไปได้เพราะฟิสิกส์ด้านเสียงและการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้มาบรรจบกัน หลักการของตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้นั้นเป็นที่รู้จักกันมานานกว่าร้อยปีแล้ว สิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปคือความสามารถในการสร้างตัวเก็บประจุนั้น รวมทั้งไดอะแฟรม แผ่นหลัง และช่องว่าง ด้วยต้นทุนที่ไม่รวมความแม่นยำระดับไมโครกระแสไฟฟ้า
มองไปข้างหน้า ไมโครโฟนที่ใช้พลังงานระดับไมโครวัตต์ ทำงานอยู่ตลอดเวลา และจะปลุกอุปกรณ์เฉพาะเมื่อได้รับคำสำคัญเฉพาะนั้นดูน่าตื่นเต้น การประมวลผลเสียงด้วย AI ในระดับไมโครเซอร์วิสนั้นต้องการเทคโนโลยีที่ล้ำหน้ายิ่งขึ้นในการออกแบบ ASIC ที่ใช้พลังงานต่ำและการรวมเซ็นเซอร์ ไมโครโฟน MEMS มีศักยภาพที่ดีสำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้ ประสิทธิภาพและความหนาแน่นในการรวมทำให้เป็นพื้นฐานที่เหมาะสมสำหรับการทำงานของอุปกรณ์ที่เน้นเสียงเป็นหลักในอนาคต
ไม่ว่าคุณจะสั่งซื้อชิ้นส่วนสำเร็จรูปหรือต้องการคำแนะนำเกี่ยวกับการติดตั้งระบบเสียงประเภทใดก็ตาม โปรดติดต่อเรา ติดต่อ ที่สุด, ที่สุด เราพร้อมให้ความช่วยเหลือในโครงการของคุณ ตั้งแต่การกำหนดรายละเอียดเบื้องต้น จนถึงความพร้อมในการผลิต