Konstruktionsprinzipien von MEMS-Mikrofonen: Klein und trotzdem gut

MEMS-Mikrofone zeichnen sich durch einen hohen Signal-Rausch-Abstand, eine geringe Leistungsaufnahme und große Empfindlichkeit aus und sind in kleinen Gehäusen erhältlich. Doch wie kann man in so kleinen Gehäusen eine möglichst gute Audioqualität erreichen?

Die Anwendung der MEMS-Technik (Microelectromechanical System) bei Mikrofonen hat zur Entwicklung sehr kleiner und sehr leistungsfähiger Mikrofone geführt.

MEMS-Mikrofone sind in sehr kleinen Gehäusen verfügbar (Bild 1), die sich uneingeschränkt für die SMT-Bestückung eignen. Die Leistungsfähigkeit von MEMS-Mikrofonen wird von der Reflow-Lötung praktisch nicht beeinflusst. Außerdem weisen MEMS-Mikrofone ausgezeichnete Temperatureigenschaften auf.

Die Akustiksensoren von MEMS-Mikrofonen

In MEMS-Mikrofonen kommen Akustiksensoren zum Einsatz, die mit Silizium-Wafern und weitreichend automatisierten Prozessen auf Halbleiter-Produktionslinien hergestellt werden. Auf einen Silizium-Wafer werden zunächst Schichten aus unterschiedlichen Materialien abgeschieden. Anschließend wird nicht benötigtes Material durch Ätzen entfernt.

Auf diese Weise entstehen eine bewegliche Membran und eine starre Rückwand über einem Hohlraum im Wafer (Bild 2 und Bild 3). Bei der Rückwand des Sensors handelt es sich um eine starre Struktur, die dank ihrer Perforation leicht von Luft durchströmt werden kann. Die Membran dagegen ist eine zwar dünne, aber massive Struktur, die sich unter dem Einfluss der von den Schallwellen verursachten Luftdruckänderungen durchbiegt.

Während sich die Membran durchbiegt, bewegt sich die dickere Rückwand nicht, da die Luft durch ihre Öffnungen strömen kann. Die Bewegungen der Membran haben zur Folge, dass sich die Kapazität zwischen ihr und der Rückwand ändert. Diese Kapazitätsänderung wird von dem in das Mikrofon eingebauten ASIC in ein elektrisches Signal verwandelt.

Das ASIC im MEMS-Mikrofon

Das ASIC des MEMS-Mikrofons versieht die Mikrofon-Membran mit Hilfe einer Ladungspumpe mit einer bestimmten Ladung. Anschließend misst es die Spannungsänderungen, die entstehen, wenn sich die Kapazität zwischen der Membran und der starren Rückwand ändert, weil sich die flexible Membran unter dem Einfluss der Schallwellen bewegt. Analoge MEMS-Mikrofone erzeugen eine Ausgangsspannung, die proportional zum momentanen Luftdruck ist. Diese analogen Mikrofone besitzen meist nur drei Anschlüsse: Ausgang, Versorgungsspannung (UDD) und Masse. Die Schnittstelle analoger MEMS-Mikrofone ist also vom Konzept her einfach, jedoch ist große Sorgfalt beim Design der Leiterplatte und der Kabel erforderlich, damit zwischen dem Ausgang des Mikrofons und dem Eingang des IC, welches das Signal weiterverarbeitet, keine Störungen in das Signal einstreuen. In den meisten Anwendungen wird zusätzlich ein rauscharmer Audio-A/D-Wandler benötigt, um das analoge Ausgangssignal des Mikrofons zu digitalisieren, bevor es weiterverarbeitet und/oder übertragen wird.

Wie der Name schon sagt, besitzen digitale MEMS-Mikrofone digitale, zwischen den Logikpegeln Low und High wechselnde Ausgänge. Die Mehrzahl der digitalen Mikrofone nutzt die Pulsdichtemodulation (PDM), die einen stark überabgetasteten 1-bit-Datenstrom erzeugt. Die Pulsdichte am Ausgang eines PDM-Mikrofons ist proportional zum jeweiligen Luftdruck. Die Pulsdichtemodulation ähnelt der in Klasse-D-Verstärkern verwendeten Pulsweitenmodulation (PWM). Der Unterschied ist, dass beim PWM-Verfahren die Zeit zwischen den Impulsen konstant ist und das Signal durch die Breite der Pulse kodiert wird, während man beim PDM-Verfahren mit einer konstanten Pulsweite arbeitet und das Signal anhand der Zeit zwischen den Pulsen kodiert.

Zusätzlich zu den Anschlüssen Ausgang, UDD und Masse, die man an analogen Mikrofonen vorfindet, gibt es bei den meisten digitalen Mikrofonen Eingänge für ein Taktsignal und eine L/R-Steuerung. Der Takteingang dient zur Steuerung des Delta-Sigma-Modulators, der das vom Sensor kommende Analogsignal in ein digitales PDM-Signal verwandelt. Die Taktfrequenzen für digitale Mikrofone liegen üblicherweise zwischen rund 1 MHz und 3,5 MHz. Der Mikrofonausgang wird mit der gewählten Taktflanke auf den jeweiligen Pegel getrieben und wechselt für die andere Hälfte des Taktzyklus in einen hochohmigen Zustand. Auf diese Weise können sich die Ausgänge zweier digitaler Mikrofone eine Datenleitung teilen. Der L/R-Eingang legt fest, bei welcher Taktflanke die Daten jeweils gültig sind.

Obwohl die Ausgänge digitaler Mikrofone gegen Störungen relativ immun sind, kann die Signalintegrität dennoch ein Problem sein. Ursache hierfür sind Verzerrungen infolge von parasitären Kapazitäten, Widerständen und Induktivitäten zwischen Mikrofonausgang und SoC. Impedanz-Ungleichheiten können überdies Reflexionen hervorrufen, die zur Verzerrung von Signalen in Anwendungen führen können, in denen die Distanz zwischen dem digitalen Mikrofon und dem SoC größer ist.

Grundsätzlich werden für digitale MEMS-Mikrofone keine Codecs benötigt. Das pulsdichtemodulierte Ausgangssignal muss jedoch in den meisten Fällen aus dem 1-bit-PDM-Format in ein Mehrbit-PCM-Format (Pulscode-Modulation) gewandelt werden. Viele Codecs und SoCs besitzen PDM-Eingänge mit Filtern, die die PDM-Daten in das PCM-Format umwandeln. Mikrocontroller können außerdem eine synchrone serielle Schnittstelle nutzen, um den PDM-Datenstrom eines digitalen Mikro­fons entgegenzunehmen und mit Hilfe von Software-Filtern in das PCM-Format zu konvertieren.