Микроэлектромеханические системы (MEMS) — это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники. Обычно все элементы таких систем размещаются на общем кремниевом основании, размер которого составляет всего пару миллиметров.
Из-за этой особенности MEMS-устройства применяются повсюду: в измерительных приборах, телефонах, игровых приставках, видеокамерах, ноутбуках и так далее. Свое массовое применение MEMS-технологии получили и в производстве микроскопических микрофонов. Так, по прогнозам аналитиков, в ближайшем будущем рынок MEMS-микрофонов вырастет более чем на $ 773 млн —
с $ 325 млн в 2021 до $ 1 100 млн в 2025 году.
В этой статье мы расскажем, почему MEMS-микрофоны становятся настолько популярным решением для использования в персональных устройствах и гаджетах.
Устройство MEMS-микрофонов
MEMS-микрофон — это электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические, который обладает достаточно малыми размерами для установки в плотно интегрированный продукт, например: смартфон, гарнитуру, спикерфон, ноутбук или в любое другое устройство. Принципиально важных элементов в таких микрофонах два: интегральная схема (ASIC) и MEMS-сенсор. Именно последний обеспечивает захват и последующую передачу звука.
В состав самого MEMS-сенсора входят гибкая мембрана и жестко зафиксированная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяя емкость между обкладками. Эти данные пересчитываются и выводятся в виде электрического сигнала на интегральную схему. Именно этот сигнал преобразуется в звук, который мы слышим.
Благодаря такому устройству в MEMS-микрофонах отсутствуют лишние элементы и их можно разместить на очень компактной кремниевой подложке, со сторонами не более 3-5 мм, что не больше размера обычных микросхем.
MEMS-микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра
Преимущества MEMS-микрофонов:
Благодаря своему устройству MEMS-микрофоны обладают следующими преимуществами:
- Большая устойчивость к шуму, вибрации и перепадам температуры за счет отсутствия лишних соединительных элементов.
- Несколько MEMS-микрофонов можно скомбинировать вместе и создать единый массив. Благодаря емкостной технологии, такие микрофонные массивы могут захватывать звук с четко определенного направления, что позволяет эффективно подавлять эхо и посторонние шумы.
- В отличие от других малогабаритных микрофонов, например электретных, MEMS-микрофоны включают большее количество дополнительных элементов, таких как предусилители, различные фильтры и аналого-цифровые преобразователи. Это означает более широкий функционал при сохранении микроскопических размеров.
- Возможность крепления таких устройств на плате с помощью пайки.
Малые размеры MEMS-микрофонов почти ничем не ограничиваются. Для сравнения: самый малый MEMS-микрофон компании Akustica с площадью кристалла всего 1 кв.мм, а рядом более крупные аналоги
Недостатки MEMS-микрофонов:
Несмотря на многочисленные преимущества, MEMS-микрофоны также не лишены и недостатков:
- Как мы писали выше, MEMS-микрофоны зачастую используются в составе массивов, что увеличивает площадь захвата звука, но при этом уменьшается срок эксплуатации устройств. Для корректной работы все микрофоны должны работать в унисон, но вероятность поломки одного из них гораздо выше, чем отдельного устройства.
- Худшая защита от влаги и пыли, чем в других микрофонах.