Konstruktionsprinzipien von MEMS-Mikrofonen: Klein und trotzdem gut

Künftige Trends

Der Wunsch nach höherer Audioqualität gibt den Anstoß zur Entwicklung von MEMS-Mikrofonen mit immer höherer Leistungsfähigkeit. In vielen Produkten beginnt man mit der Anwendung digitaler Signalverarbeitungsverfahren im Verbund mit Arrays aus zwei oder mehr Mikrofonen, um Störungen zu unterdrücken und/oder eine bestimmte Richtcharakteristik zu erzielen.

Anhebung des Signal-Rausch-Abstands

Die Leistungsfähigkeit von MEMS-Mikro­fonen wird fortlaufend verbessert. Die SNR-Werte haben sich von 55 bis 58 dB vor einigen Jahren auf heute 63 bis 66 dB erhöht. Dies ermöglicht eine sauberere Tonerfassung und ermöglicht die Verwendung der Mikrofone aus größeren Distanzen, ohne die Deutlichkeit zu beeinträchtigen. Automatische Spracherkennungssysteme sind auf einen hohen SNR-Wert angewiesen, um eine hohe Worterkennungsrate zu erzielen.

Höhere Schalldruckpegel

Viele Mikrofonanwender wünschen sich höher angesetzte akustische Überlastungspunkte, um Verzerrungen in lauten Umgebungen zu verhindern. Die übersteuerungsbedingten Verzerrungen bei Schalldruckpegeln oberhalb des akustischen Überlastungspunkts können dafür sorgen, dass Aufnahmen in lauten Umgebungen (beispielsweise bei Rockkonzerten) unbrauchbar sind.

Kleinere Gehäuse

Die zunehmende Nachfrage der Konsumenten nach dünneren und leichteren Produkten sorgt dafür, dass die Gehäusemaße von MEMS-Mikrofonen immer kleiner werden. Während die Gehäuse früher MEMS-Mikrofone Abmessungen von 3,76 × 4,72 × 1,25 mm3 aufwiesen, sind mittlerweile 3 × 4 × 1 mm3 sowie 2,95 × 3,76 × 1 mm3 die Regel. Neuere MEMS-Mikrofone gibt es sogar mit Maßen von 2,5 × 3,35 × 0,98 mm3 und 2,65 × 3,5 × 0,98 mm3. Dieser Trend dürfte sich weiter fortsetzen, obwohl es bei den kleiner werdenden Mikrofongehäusen immer schwieriger wird, die Audioqualität zu halten oder gar zu steigern, weil das Volumen der Rückkammer immer geringer wird.

Unterdrückung von Umgebungsgeräuschen

In vielen Smartphones und Tablets werden inzwischen mehrere Mikrofone eingesetzt, um Features wie etwa die Videoaufzeichnung zu ermöglichen. Üblich ist die Verwendung mehrerer Mikrofone auch zur Unterdrückung von Umgebungsgeräuschen. Viele Smart­phones besitzen ein Mikrofon oben oder auf der Rückseite, um die Umgebungsgeräusche aufzunehmen, damit diese vom Ausgangssignal des/der Sprachmikrofone(s) subtrahiert werden können, um die Verständlichkeit zu verbessern. Mikrofone, die hauptsächlich für die Videoaufzeichnung vorgesehen sind, werden häufig auch zur Unterdrückung von Umgebungsgeräuschen eingesetzt.

Beamforming

Arrays aus zwei oder mehr Mikrofonen nutzt man auch für das sogenannte Beam­for­ming. Die Ausgangssignale des Array werden dabei so aufbereitet, dass die Empfindlichkeit in einer bestimmten Richtung angehoben, für alle anderen Richtungen aber herabgesetzt wird. Die meisten Mikrofone sind omnidirektional, d.h. ihre Empfindlichkeit ist in alle Richtungen gleich. Häufig aber ist eine gewisse Richtcharakteristik wünschenswert, um die Sprachverständlichkeit zu erhöhen. Beim Beam­for­ming nutzt man die Phasendifferenzen aus, mit denen der Schall auf die verschiedenen Mikrofone trifft, um die angestrebte Richtwirkung zu erzielen. Ebenso lässt sich mit Beam­for­ming die Richtung ermitteln, aus der der Schall kommt. Besonders nützlich ist es in Anwendungen, in denen sich das Mikrofon nicht in der Nähe der sprechenden Person befindet, also in Wohn- oder Konferenzräumen, Autos und so weiter. Hilfreich ist es auch beim Einsatz von Freisprecheinrichtungen oder bei Videokonferenzen in lauten Umgebungen.

Reduzierung der Empfindlichkeitsschwankungen

Die Algorithmen, die für Funktionen wie die Störgeräuschunterdrückung oder das Beam­for­ming verwendet werden, setzen in der Regel Mikrofone mit identischer Empfindlichkeit voraus. Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Mikrofonen sind deshalb der Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen abträglich.

Dies hat zu der Forderung geführt, die Empfindlichkeitsstreuung zu reduzieren. Bei MEMS-Mikrofonen beträgt die Empfindlichkeitstoleranz typisch ±3 dB. Sie lässt sich auf ±1 dB verringern, wenn man die Mikrofone sortiert (Binning) und/oder einen Abgleich der Mikrofon-ASICs vornimmt, um die normalen Streuungen der Mikrofonparameter zu kompensieren.

Die Autoren:

John Widder
arbeitet bei STMicroelectronics im Bereich Audio & MEMS Microphone Marketing.
Alessandro Morcelli
ist Microphone Applications Engineer bei STMicroelectronics.