Як розробити шумомір на основі MEMS?
MEMS — це мікроелектромеханічні системи, виготовлені з використанням тих самих матеріалів (зазвичай кремнію) і технік травлення, які використовуються для виготовлення мікроелектронних схем. Ці методи можуть створювати мікро- та нанорозмірні структури з високою точністю та відтворюваністю. Мікрофони MEMS дуже маленькі, але дуже чутливі (рівень шуму зазвичай перевищує 30 дБА). Багато мікрофонів MEMS інтегрують мікросхеми підсилення та цифрової дискретизації на рівні пристрою (навіть на рівні мікросхеми), таким чином безпосередньо надаючи цифрові сигнали та знижуючи вартість інших частин системи чи інструменту. Крім того, пряма інтеграція аналого-цифрових схем на рівні пристрою усуває електромагнітні перешкоди, пов’язані з аналоговими вхідними лініями в звичайних конструкціях.
Мікрофони MEMS виготовляються за допомогою суворо контрольованого процесу мікротравлення, тому індивідуальні характеристики кожного мікрофона MEMS надзвичайно узгоджені. Вони дуже лінійні (0.1 відсоток сумарних гармонійних спотворень (HD) або краще при 1 кГц/94 дБ SPL) і мають широкий динамічний діапазон (зазвичай кращий за 30 дБА до 120 дБА). Крім того, MEMS-мікрофони мають низьку чутливість до змін температури, а діафрагми їх мікрофонів настільки малі й тонкі, що вони більш ніж у 10 разів менш чутливі до вібрації, ніж електростатичні мікрофони. Крім того, мікрофони MEMS широко представлені на ринку побутової електроніки, тому вони також дуже дешеві. Їх чутливість залишається дуже стабільною з часом і зазвичай не вимагає повторного калібрування, щоб залишатися в межах специфікацій типу I.
Ці переваги роблять мікрофони MEMS ідеальними для дизайну. Звичайно, мікрофони MEMS мають деякі недоліки, які потрібно компенсувати, якщо вони хочуть розробити ефективний шумомір.
Оскільки мікрофони MEMS надають цифрові сигнали на рівні пристрою, неможливо видалити чутливу до тиску порожнину зі схеми та перевірити аналоговий зв’язок ізольовано. Усі відповідні стандарти для вимірювачів рівня шуму були написані в 1970-х роках і передбачали, що конструкція вимірювача рівня звуку складається з однієї мікрофонної порожнини, яка керує ланцюгом аналогової обробки або аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), за яким слідує ланцюг цифрової обробки. Це вимагає використання електричних сигналів замість мікрофонів для перевірки шумомірів. Мікрофони MEMS, з іншого боку, завершують аналого-цифрове перетворення на рівні пристрою, що означає, що навіть якщо шумомір може мати продуктивність, необхідну для відповідності стандарту, його не можна перевірити за допомогою методів, зазначених у той стандарт.
Через дуже малий розмір кремнієвих структур мікрофонів MEMS навіть дрібні частинки пилу можуть легко потрапити в порожнину мікрофона та пошкодити його. Надзвичайно високі статичні та динамічні навантаження (зазвичай понад 160 дБ SPL) також можуть спричинити пошкодження цих невеликих кремнієвих структур.
Мікрофони MEMS зазвичай мають гострі резонанси в діапазоні від 10 кГц до 20 кГц. Необхідна корекція цього резонансу, щоб частотна характеристика шумоміра була в межах відповідного стандарту.
