Konstruktionsprinzipien von MEMS-Mikrofonen: Klein und trotzdem gut

Performance-Messungen an MEMS-Mikrofonen

Die SI-Maßeinheit für den Druck ist das Pascal (Pa). Sie gibt linear die auf eine Flächeneinheit wirkende Kraft an (1 Pa = 1 N/m²). Beim Umgang mit Schalldruckpegeln ist es jedoch sinnvoller, mit logarithmischen Skalen zu arbeiten, denn das menschliche Ohr besitzt einen großen Dynamikbereich und kann Schalldrücke zwischen 20 µP und über 20 Pa wahrnehmen. Aus diesem Grund werden wichtige Messgrößen von Mikrofonen normalerweise in Dezibel (dB) angegeben. 0 dB SPL (Sound Pressure Level) entsprechen 20 µPa, und 1 Pa entspricht 94 dB SPL. Die folgenden Parameter sind in der Regel die wichtigsten Indikatoren für die Leistungsfähigkeit eines Mikrofons.

Signal-Rausch-Abstand (SNR)

Der SNR ist in den meisten Anwendungen die wichtigste Messgröße für die Leistungsfähigkeit eines Mikrofons. Er gibt in dB die Differenz zwischen der Empfindlichkeit und dem Eigenrauschen eines Mikrofons an. Bei gegenwärtigen MEMS-Mikrofonen liegt der SNR zwischen 56 dB und etwa 66 dB.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit eines Mikrofons ist ein Maß für sein Ansprechen auf einen bestimmten Schalldruckpegel. Sie wird normalerweise für eine Frequenz von 1 kHz und 94 dB SPL (1 Pa) angegeben. Bei analogen Mikrofonen gibt man die Empfindlichkeit üblicherweise in Dezibel bezogen auf 1 V RMS (dB V) an, während die Angabe bei digitalen Mikrofonen meist bezogen auf den Bereichsendwert (dB FS) erfolgt.

Eigenrauschen

Unter dem Eigenrauschen eines Mikrofons versteht man das Rauschen, das in vollkommen stiller Umgebung an seinem Ausgang liegt. Sowohl der Sensor als auch das ASIC tragen zum Rauschen am Mikrofonausgang bei. Der Anteil des Sensors am Rauschen entsteht durch die brownsche Bewegung der Luftmoleküle, während der Anteil des ASIC auf den Vorverstärker sowie bei digitalen Mikrofonen auf den Delta-Sigma-Modulator zurückzuführen ist. Das Eigenrauschen wird über das gesamte Frequenzband gemessen, und zwar mit einem A-Bewertungsfilter, um eine bessere Aussage über das vom menschlichen Ohr wahrgenommene Rauschen zu erhalten.

Verzerrung (THD)

Die Verzerrung ist ein Maß dafür, wie exakt ein Mikrofon Schall erfassen kann. Sie wird normalerweise bei etwa 94 dB bis 100 dB SPL angegeben, um eine gute Aussage über die Audioqualität eines Mikrofons bei normalen Schalldruckpegeln zu bekommen.

Akustischer Überlastungspunkt

Die Verzerrung nimmt üblicherweise nicht sehr stark zu, wenn der Schalldruckpegel ansteigt. Dies ändert sich erst, wenn der Schalldruckpegel in die Nähe des akustischen Überlastungspunkts des Mikrofons kommt. Hier steigen die Verzerrungen steil an. Der akustische Überlastungspunkt eines Mikrofons ist normalerweise als derjenige Punkt definiert, an dem die Verzerrungen einen Wert von 10 % erreichen.

Frequenzgang

Unter dem Frequenzgang eines MEMS-Mikrofons versteht man die Änderung seiner Empfindlichkeit bei verschiedenen Frequenzen. Zur Normalisierung der Ergebnisse wird der 0-dB-Punkt des Frequenzgangs in der Regel bei 1 kHz angesetzt. Die Empfindlichkeit der meisten MEMS-Mikrofone fällt unter 100 Hz ab und steigt bedingt durch die Helmholtz-Resonanz zwischen 4 kHz und 6 kHz an. Aus diesem Grund ist der Frequenzgang vieler MEMS-Mikrofone nur zwischen 100 Hz und 10 kHz spezifiziert. Es gibt jedoch Hochleistungs-MEMS-Mikrofone mit einem relativ flach verlaufenden Frequenzgang über das gesamte Audioband von 20 Hz bis 20 kHz.

Versorgungsspannungs- Unterdrückung (PSR)

Die Versorgungsspannungs-Unterdrückung eines Mikrofons ist ein Maß für seine Fähigkeit, das Durchschlagen von Störungen an seinem Versorgungsspannungs-Eingang an seinen Ausgang zu verhindern. Der PSR-Wert wird üblicherweise mit einem 217-Hz-Rechtecksignal spezifiziert, um die TDMA-Störungen von Mobiltelefonen zu simulieren, oder mit einer gewobbelten Sinuswelle über den Audiobereich.