Wprowadzenie do tablic mikrofonowych MEMS

MEMS, czyli systemy mikroelektromechaniczne to małe urządzenia, które łączą części elektryczne i mechaniczne na poziomie mikroskopowym od kilku mikrometrów do milimetrów.Systemy te wykorzystują czujniki, siłowniki i mikroelektronikę do tworzenia małych, złożonych urządzeń za pomocą technologii mikrofabrykania.Sercem technologii MEMS jest jego zdolność do integracji elementów mechanicznych, takich jak przekładnie, sprężyny i zawiasy z obwodami elektronicznymi na jednym krzemowym układie.Z powodu tej integracji urządzenia MEMS mogą wyczuć, kontrolować i uruchamiać w skali mikro, komunikując się w skali makro.W tym artykule bada główną rolę MEMS w różnych dziedzinach, od elektroniki użytkowej po opiekę zdrowotną.Urządzenia MEMS zmieniły tradycyjne technologie z innowacjami, takimi jak MEMS MIKROFONE Tablice używane w samochodach i systemach telekomunikacyjnych.

Katalog

Rycina 1: MEMS (układy mikroelektromechaniczne) tablice mikrofonowe

Rola MEMS we współczesnej technologii

Technologia MEMS jest popytem w wielu branżach, ponieważ jest elastyczna, niewielka, energooszczędna i opłacalna.Oto, w jaki sposób MEM są używane w nowoczesnej technologii:

Elektronika konsumpcyjna

MEM są przydatne w elektronice użytkowej, umożliwiając funkcje, takie jak wykrywanie ruchu i stabilizacja obrazu w urządzeniach takich jak smartfony, tablety i konsole do gier.Wspólne urządzenia MEMS w tej dziedzinie obejmują żyroskopy i akcelerometry.

Przemysł motoryzacyjny

W sektorze motoryzacyjnym MEMS zwiększają zarówno bezpieczeństwo, jak i funkcjonalność.Są one stosowane w czujnikach poduszki powietrznej, systemach monitorowania ciśnienia w oponach i systemach kontroli stabilności pojazdu, przyczyniając się do lepszego bezpieczeństwa i wydajności.

Opieka zdrowotna

Technologia MEMS przekształca urządzenia medyczne.Przykłady obejmują urządzenia laboratoryjne do diagnostyki, wszczepialne systemy dostarczania leków i zaawansowane narzędzia chirurgiczne, które umożliwiają minimalnie inwazyjne procedury.

Zastosowania przemysłowe

W środowiskach przemysłowych czujniki MEMS monitorują warunki, takie jak temperatura, ciśnienie i wibracje.To monitorowanie obsługuje konserwację predykcyjną i zwiększa wydajność systemu.

Telekomunikacja

MEMS poprawia systemy komunikacji poprzez ulepszanie urządzeń, takich jak przełączniki optyczne i zmienne kondensatory, dobre do zarządzania routingiem sygnałów i wydajnością sieci.

Monitorowanie środowiska

Czujniki oparte na MEMS monitorują warunki środowiskowe, w tym jakość powietrza i wody, i wykrywają niebezpieczne gazy.Ich niewielki rozmiar i wydajność sprawiają, że są odpowiednie do wdrażania w różnych i często odległych lokalizacjach.

Rysunek 2: Urządzenie MEMS

Skład i obsługa macierzy mikrofonów MEMS

Poniżej zagłębiamy się w strukturę, metody przetwarzania dźwięku i techniki kombinacji sygnałów tablic mikrofonowych MEMS.

Opis struktury tablicy

Tablice mikrofonowe MEMS składają się z wielu mikrofonów ustawionych do współpracy.Każdy mikrofon jest małym urządzeniem o elementach mechanicznych i elektronicznych, wykonanych przy użyciu technik produkcji półprzewodników.Te mikrofony przekształcają dźwięk w sygnały elektryczne.

Konfiguracja tablicy może się zmieniać, ułożone w wzorce takie jak formacje liniowe, okrągłe lub płaskie.Ta konfiguracja wpływa na kierunkowość i wrażliwość tablicy, umożliwiając jej uchwycenie dźwięku z określonych kierunków, jednocześnie ignorując inne.Połączone wyjście elektryczne z tych tablic jest przetwarzane w celu utworzenia jednego, wysokiej jakości sygnału audio.

Rysunek 3: System tablicy mikrofonów MEMS

Jak brzmią tablice

Przetwarzanie dźwięku w MEMS MIKREATY MIKROFONE obejmuje wzmacnianie, opóźnienie i filtrowanie sygnałów z poszczególnych mikrofonów.Każdy krok służy określonym celowi:

• Wzmocnienie zwiększa słabe sygnały z mikrofonów, co czyni je wystarczająco silnymi do dalszego przetwarzania.

• Opóźnianie synchronizuje dźwięki przechwycone przez różne mikrofony w różnych momentach ze względu na ich fizyczną separację.Ta synchronizacja dobra do dokładnej lokalizacji dźwięku i formowania wiązki.

• Filtrowanie zwiększa niektóre częstotliwości, jednocześnie tłumiąc inne, w zależności od pożądanego wyjścia.Na przykład może usunąć szum o wysokiej częstotliwości lub zwiększać częstotliwości ważne dla przejrzystości mowy.

Rysunek 4: tablice i dźwięk cyfrowy

Techniczny proces łączenia sygnałów

Łączenie sygnałów w tablicach mikrofonowych MEMS jest wyrafinowanym procesem mającym na celu zwiększenie pożądanych dźwięków przy jednoczesnym zmniejszeniu szumu tła, znanego jako kształt wiązki.Formowanie wiązki wykorzystują układ mikrofonu i różnicowe czas (opóźnienie) fal dźwiękowych, aby skoncentrować wrażliwość tablicy na źródłach dźwięku, minimalizując zakłócenia z niechcianego szumu.

Proces ten obejmuje obliczenie wag dla wyjścia każdego mikrofonu, określając, ile każdy sygnał powinien przyczynić się do ostatecznego wyjścia.Wagi dostosowują się na podstawie kierunku fal dźwiękowych i środowisku akustycznego.Łącząc te ważone sygnały, tablica tworzy ukierunkowane ukierunkowanie, które zwiększa wychwytywanie dźwięku z określonych kierunków, jednocześnie zmniejszając zakłócenia.

Zaawansowane techniki przetwarzania sygnału, takie jak filtrowanie adaptacyjne dynamicznie dostosowują parametry przetwarzania w odpowiedzi na zmiany w środowisku dźwiękowym.Ta zdolność adaptacyjna pozwala MEMS MIKROFONE MIKREATY UTRZYMOWAĆ OPtymalną wydajność w różnych ustawieniach, od cichych studiów po hałaśliwe środowiska zewnętrzne.

Rycina 5: MEMS MIKREATY

Znaczenie stosunku sygnału do szumu (SNR)

Stosunek sygnału do szumu (SNR) jest ważną miarą technologii audio.Porównuje poziom pożądanego sygnału do poziomu szumu tła, wyrażonego w decybelach (db).Wyższy SNR oznacza wyraźniejszy sygnał audio o mniejszym szumie, podczas gdy niższy SNR wskazuje na więcej szumu tła, który degraduje jakość dźwięku.

SNR używany do wielu urządzeń audio, od smartfonów i słuchawek po profesjonalny sprzęt rejestrujący.W wysokiej jakości systemach audio wysoki SNR oznacza, że ​​wyjście audio jest bardzo blisko oryginalnego nagrywania, z minimalnym szumem tła.Jest to przydatne w studiach nagrywania, ponieważ małe dźwięki mogą znacznie wpływać na jakość dźwięku.

W systemach komunikacyjnych SNR wymaga jasności.Na przykład w hałaśliwym środowisku urządzenie ze złym SNR będzie produkować niejasny dźwięk, co utrudnia użytkownikom zrozumienie się nawzajem.Dlatego utrzymanie wysokiego SNR jest głównym celem w projektowaniu i opracowywaniu technologii audio.

Rysunek 6: Stosunek sygnału do szumu (SNR)

Jak MEMS MIKROFONowe tablice poprawiają SNR poprzez zmniejszenie niechcianego hałasu

Formowanie wiązki

MEMS MIKROFONE Tablice wzmacniają SNR poprzez ustawianie wiązki.Ta technika przetwarza sygnały z wielu mikrofonów, aby stworzyć skupioną, kierunkową odpowiedź.Dzięki rejestrowaniu dźwięku z określonego kierunku i minimalizując szum z innych kierunków, formowanie wiązki jest skuteczne w ustawieniach, w których źródło dźwięku jest ustalone i znane, jak w inteligentnych głośnikach i systemach konferencyjnych.

Anulowanie szumu

Inną metodą poprawy SNR jest anulowanie szumów.Porównując sygnały audio z różnych mikrofonów w tablicy, system może wykryć i unieważnić niepożądany szum, zwiększając w ten sposób przejrzystość pożądanego sygnału.Ta funkcja jest przydatna w elektronice użytkowej często używanej w hałaśliwych miejscach publicznych.

Filtrowanie przestrzenne

Tablice mikrofonowe MEMS wyróżniają się również w filtowaniu przestrzennym, które izoluje dźwięki z różnych lokalizacji.To nie tylko zmniejsza szum tła, ale także poprawia ogólną jakość przechwytywania dźwięku.Takie możliwości sprawiają, że tablice MEMS są idealne do złożonych środowisk akustycznych.

Broadside MIKREATY

Broadside mikrofonowe są ułożone w jednym lub dwóch wymiarach, prostopadłe do źródła dźwięku.Ta konfiguracja jest skuteczna w środowiskach o przewidywalnych kierunkach dźwięku, umożliwiając systemowi skupienie się na dźwiękach z przodu, jednocześnie ignorując szum boczny.Układ fizyczny zapewnia jednocześnie wszystkie mikrofony z zamierzonego kierunku, co prowadzi do konstruktywnego podsumowania sygnału.Dźwięki pochodzące z innych kierunków doświadczają jednak rozbieżności fazowych z powodu różnych czasów przybycia, co powoduje słabsze podsumowanie i zmniejszoną wydajność.Ta konfiguracja jest idealna dla urządzeń takich jak monitory komputerowe lub ekrany telewizyjne, zwiększając wrażenia słuchowe poprzez skupienie się na dźwiękach bezpośrednio z obszaru wyświetlania.

Rycina 7: Broadside MIKROATY

Mikroczu mikrofonu końcowego

Kartki mikrofonowe końcowe ustawiają mikrofony liniowo wzdłuż kierunku dźwięku.Ta konfiguracja wykorzystuje naturalne opóźnienia czasu w propagacji dźwięku, przy czym każdy mikrofon wychwytuje dźwięk w nieco opóźnionych odstępach czasu.Opóźnienia te są dostosowywane elektronicznie w celu synchronizacji sygnałów, zwiększając podsumowanie pożądanych dźwięków.Tablice końcowe są doskonałe w izolowaniu dźwięków z przodu, jednocześnie zmniejszając odgłosy z innych kierunków, w tym z tyłu.To kierunkowe skupienie sprawia, że ​​są odpowiednie dla urządzeń ręcznych, takich jak mikrofony używane w wystąpieniach publicznych lub występach, gdzie mogą celować w określone źródła dźwięku i izolować je od szumu otoczenia.

Rycina 8: Broadside MIKREATY vs. MIKREATY MIKROFONE

Zasady robocze macierzy mikrofonów MEMS

Tablice mikrofonowe MEMS (systemy mikroelektromechaniczne) to zaawansowane urządzenia łączące technologię mikrofabrykacji z inżynierią dźwiękową w celu przechwytywania i przetwarzania dźwięku z wysoką precyzją.Tablice te działają na podstawie kilku podstawowych funkcji: przechwytywania dźwięku, przetwarzania sygnału i redukcji szumu.

Złapanie dźwięku przez wiele mikrofonów

MEMS MIKROFONE MAMORETY ZASTOSUJE wiele przestrzennie rozłożonych mikrofonów do próbkowania środowiska akustycznego.Każdy mikrofon przekształca fale dźwiękowe w sygnały elektryczne, umożliwiając systemowi gromadzenie dźwięku z różnych kierunków.Ta konfiguracja zwiększa dokładność tablicy w wykrywaniu pochodzenia i charakterystyki dźwięków.Rozkład przestrzenny wymaga przechwytywania szerszych zadań pola dźwiękowego, takiego jak lokalizacja dźwięku i kształtowanie wiązki.Formowanie wiązki kieruje wrażliwość tablicy na określone źródło dźwięku, jednocześnie tłumiąc innych.

Cyfrowe przetwarzanie sygnału (DSP)

Po uchwyceniu dźwięku sygnały elektryczne z każdego mikrofonu są przetwarzane przez system DSP.Ten system jest centralnym centrum mikrofonów MEMS, w których analizowane są surowe dane.Algorytmy DSP syntetyzują sygnały z wielu mikrofonów, aby utworzyć spójną mapę dźwięku.System, składając czas, system może dokładnie określić kierunek i trajektorię dźwięku przez przestrzeń.

Rysunek 9: Schemat bloków przetwarzania sygnału cyfrowego

Filtrowanie szumów i poprawa dźwięku

DSP poprawia również jakość dźwięku, odfiltrowując szum tła i wyjaśniając pożądany dźwięk.Techniki takie jak tłumienie hałasu, anulowanie echa i kontrola wzmocnienia są stosowane w celu poprawy wierności dźwięku.Procesy te są najlepsze w przypadku aplikacji wymagających wyraźnej reprodukcji dźwięku, takich jak systemy telekonferencyjne, aparaty słuchowe i asystenci głosowi na smartfony.

Rodzaje mikrofonów MEMS

Rycina 10: MEMS MINIDIRECTION MIKROFON

MINIDIRECTION MIKROFON

MEMS Mnidirectional Mikrofony wychwytują jednolicie dźwięk ze wszystkich kierunków.To odróżnia je od mikrofonów kierunkowych, które koncentrują się na dźwięku z określonych kierunków.MEMS MINIDIRECTION MIKROFONY wykorzystują niewielkie przepony wykonane z technologii MEMS.Te przepony wykrywają fale dźwiękowe z dowolnego kierunku i sprawiają, że mikrofony są silne.Ich niewielki rozmiar i konsekwentna wydajność pozwalają na łatwą integrację z różnymi urządzeniami.

Te mikrofony przodują w ustawieniach, w których źródła dźwięku poruszają się lub pochodzą z wielu kierunków.Na przykład w sali konferencyjnej ludzie mogą mówić z dowolnego kierunku wokół stołu.Mikrofon do omnidirective zapewnia wyraźne przechwytywanie głosu, zwiększenie komunikacji i nagrywania.

Inteligentne urządzenia domowe, takie jak asystenci aktywowani głosem, muszą odbierać polecenia z dowolnego miejsca w pokoju.Podobnie systemy bezpieczeństwa polegają na tych mikrofonach w celu wykrywania dźwięków, które wyzwalają powiadomienia, korzystając z ich kompleksowego przechwytywania dźwięku.

Rycina 11: MIMS Mikrofon kierunkowy

Mikrofon kierunkowy

Mikrofony kierunkowe Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) są ważne dla poprawy jasności dźwięku poprzez skupienie się na dźwiękach z określonych kierunków i minimalizując niechciany szum.Ta technologia wykorzystuje szereg małych mikrofonów, które współpracują ze sobą w celu zwiększenia wrażliwości na ukierunkowany obszar.Takie podejście jest przydatne w telekomunikacji i aparatach słuchowych.

W telekomunikacji MEMS mikrofony kierunkowe izolują i wzmacniają dźwięk z określonych kierunków, zapewniając jasne rozmowy pomimo szumu otoczenia.Jest to funkcjonalne w hałaśliwych miejscach, takich jak ruchliwe ulice lub zatłoczone biura.Koncentrując się na głosie głośnika i wycinanie szumu tła, te mikrofony oferują wyraźniejszy i bardziej zrozumiały dźwięk, poprawiając wrażenia użytkownika.

Zaawansowane aparaty słuchowe wykorzystują te mikrofony, aby skupić się na podstawowym źródle dźwięku, przed którym stoi użytkownik, dostosowując się do zmian w środowisku słuchowym w celu utrzymania optymalnej wydajności.

MEMS Mikrofony kierunkowe obejmują również wyrafinowane algorytmy przetwarzania sygnałów.Algorytmy te analizują dźwięk pod różnymi kątami i selektywnie wzmacniają fale dźwiękowe z pożądanego kierunku.Ta zaawansowana technologia nie tylko poprawia wydajność mikrofonu, ale także pozwala na integrację z mniejszymi urządzeniami dobre dla miniaturyzowanych gadżetów, takich jak smartfony i aparaty słuchowe.

Zalety

Zarówno mikrofony MEMS, jak i kierunkowe MEMS oferują unikalne korzyści w różnych sytuacjach.Mikrofony kierunkowe przodują w hałaśliwych środowiskach poprzez izolowanie głównego źródła dźwięku, zwiększając wydajność aparatu słuchowego.Mikrofony do omnidirectional są lepsze do cichych ustawień, przechwytujące dźwięk z wielu kierunków, co czyni je odpowiednim do monitorowania systemów.Nowoczesne aparaty słuchowe często łączą oba typy, umożliwiając ręczne lub automatyczne korekty dostosowania się do różnych dźwięków otoczenia.

Funkcje cyfrowych mikrofonów MEMS

Cyfrowe mikrofony MEMS dostarczają danych w formacie modulacji gęstości impulsowej ½ (PDM), wymagające synchronizacji między wejściem zegara (CLK) a linią danych wyjściowych (danych).Pojedyncza linia danych jest udostępniana między dwoma mikrofonami, oznaczoną jako „lewy” lub „prawy”, ustawiając pin wejściowy L/R na VDD lub uziemienie.Urządzenia te są zasilane za pomocą materiałów 1,8 V lub 3,3 V.

Podczas działania „lewy” mikrofon zapisuje dane na rosnącej krawędzi CLK i „prawej” na opadającej krawędzi.Jeśli prawy mikrofon zawodzi lub jest nieobecny, lewy mikrofon nadal zapisuje dane na temat rosnącej krawędzi i przełącza się na wysoką impedancję na spadających krawędziach.Powoduje to, że linia danych odzwierciedla tylko wyjście lewego mikrofonu, co powoduje błąd, ponieważ DSP odbiera identyczne dane dla obu kanałów.Aby uniknąć tych problemów, potrzebujemy dokładnego testowania.Częstotliwość zegara, od kilkuset kHz do 3 MHz, wpływa na zużycie energii i jakość dźwięku.Krótkie odległości kablowe pomagają utrzymać cyfrową integralność sygnału i zminimalizować straty z powodu długich, o wysokiej liczbie kabli.

Wiele mikrofonów MEMS

Korzystanie z wielu mikrofonów MEMS w urządzeniach poprawia ich możliwości przechwytywania dźwięku.Kilka mikrofonów współpracujących ze sobą poprawia stosunek sygnału do szumu (SNR), w celu utrzymania wysokiej jakości dźwięku w hałaśliwych środowiskach, takich jak samochody lub podczas połączeń mobilnych.Konfiguracje multi-mikrofonów obsługują zaawansowane funkcje, takie jak kształtowanie wiązki.

Integracja wielu mikrofonów MEMS zapewnia również wyzwania testowe i walidacyjne.Inżynierowie muszą wykonywać pomiary wielokanałowe, aby zapewnić wyrównanie i synchronizację fazową w ramach mikrofonu.Aby poprawić wyjście audio, algorytmy DSP wymagają precyzyjnych testów.Ścisłe procesy i zaawansowane urządzenia testowe zapewniają niezawodne działanie systemów i wytwarzają wysokiej jakości dźwięk.

Wniosek

Technologia MEMS jest główną częścią nowoczesnych innowacji, poprawiając jakość i funkcję wielu systemów.Na przykład mikrofony MEMS zwiększają dźwięk w elektronice użytkowej i zwiększają bezpieczeństwo w samochodach.Urządzenia te poprawiają przejrzystość sygnału, zapewniają wysokiej jakości dźwięk i zmniejszają szum.Tworzenie cyfrowych mikrofonów MEMS pokazuje, jak ewoluuje ta technologia, aby zaspokoić potrzeby dzisiejszych urządzeń z precyzją, wydajnością i niezawodnością.Ponieważ technologia MEMS rozwija się, będzie nadal ważna zarówno w ulepszaniu obecnych, jak i przyszłych technologii.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Czy macierz mikrofonu jest faktycznym mikrofonem?

Tak, macierz mikrofonu jest rzeczywiście zbiorem faktycznych mikrofonów.Składa się z wielu jednostek mikrofonowych umieszczonych w celu przechwytywania dźwięku z różnych kierunków.Ta konfiguracja pozwala tablicy wykonywać złożone zadania przetwarzania audio, takie jak redukcja szumów i kierunkowość, zwiększając jakość przechwytywania dźwięku w porównaniu z pojedynczym mikrofonem.

2. Jaka jest różnica między mieszanką stereo a układem mikrofonu?

Terminy „Mieszanka stereo” i „tablica mikrofonu” odnoszą się do różnych aspektów obsługi dźwięku.Mieszanka stereo to funkcja karty dźwiękowej komputera, która łączy wszystkie wejścia i wyjścia dźwięku w pojedynczy utwór stereo, umożliwiając jednocześnie nagrywanie lub przesyłanie strumieniowego dźwięku z różnych źródeł.Z drugiej strony układ mikrofonu obejmuje wiele mikrofonów współpracujących w celu nagrywania dźwięku, często używanego do przechwytywania informacji o dźwięku przestrzennym i poprawy jakości dźwięku poprzez izolowanie źródła dźwięku od szumu tła.

3. Czy MEMS mikrofon jest analogowy czy cyfrowy?

MEMS (Systemy mikroelektromechaniczne) Mikrofony mogą być analogowe lub cyfrowe.Typ zależy od formatu wyjściowego wytwarzanego przez nich sygnału audio.Analogowe MEMS Mikrofony wyjściowe sygnały audio jako fale analogowe, wymagające dodatkowego obwodu do konwersji do sygnałów cyfrowych.Cyfrowe mikrofony MEMS obejmują jednak zintegrowany obwód, który przekształca dźwięk bezpośrednio w sygnał cyfrowy, upraszczając łączność z urządzeniami cyfrowymi.

4. Jak przetestować mikrofon MEMS?

Testowanie mikrofonu MEMS obejmuje kilka kroków, aby upewnić się, że poprawnie funkcjonuje:

Sprawdź łączność: Po pierwsze, upewnij się, że mikrofon jest poprawnie podłączony do urządzenia testowego (takiego jak komputer lub analizator).

Kontrola wzrokowa: Sprawdź wszelkie fizyczne uszkodzenia, które mogą wpłynąć na wydajność.

Test dźwięku: Użyj standardowego źródła dźwięku lub przemówić do mikrofonu, aby sprawdzić przejrzystość i objętość.Narzędzia programowe lub dedykowane urządzenia do testowania audio mogą pomóc w analizie jakości dźwięku i wykrywania problemów, takich jak zniekształcenie lub szum.

Testy funkcjonalne: Użyj oprogramowania diagnostycznego do uruchamiania testów funkcjonalnych, które sprawdzają odpowiedź mikrofonu na różnych częstotliwościach i poziomach dźwięku.

5. Jakie jest napięcie mikrofonu MEMS?

Napięcie robocze mikrofonów MEMS wynosi od 1,5 do 3,6 woltów, w zależności od konkretnego modelu i producenta.Ważne jest, aby odwołać się do technicznego arkusza danych określonego modelu mikrofonu MEMS, którego używasz w celu potwierdzenia prawidłowego napięcia roboczego i upewnienia się, że pasuje do specyfikacji zasilacza aplikacji.