L’interazione colloquiale con macchine “intelligenti” come ad esempio gli assistenti digitali domestici è sempre più diffusa e rappresenta uno dei fattori alla base dello sviluppo di nuovi prodotti high-tech in grado di ascoltare ciò che proviene dall’ambiente circostante, interpretare comandi o acquisire dati ambientali o contestuali. Da qui la rapida crescita del mercato dei microfoni MEMS (Micro-Electro-Mechanical System). Nonostante la diffusione di questi ultimi, va sottolineato il fatto che la tecnologia MEMS non è l’unica disponibile per la realizzazione di microfoni. I tradizionali microfoni EMC (Electret Condenser Microphone) rappresentano ancora una valida alternativa in numerose applicazioni. Per valutare i punti di forza dei due tipi di microfoni, è utile esaminare i principi operativi e i dettagli costruttivi.
Microfono MEMS: principi di funzionamento
Lo schema realizzativo tipico di un microfono MEMS, schematizzato in figura 1, prevede un trasduttore MEMS posto accanto a un circuito ASIC (Application Specific Integrated Circuit) preposto all’elaborazione del segnale. Sulla parte superiore di questo circuito può essere posizionato un involucro protettivo come ad esempio una copertura metallica. La presenza di un foro di piccole dimensioni è necessaria per consentire l’ingresso nel sensore delle onde sonore: esso può essere realizzato sulla copertura superiore oppure sulla scheda PCB a secondo che la porta acustica del microfono sia sulla parte superiore (top-ported) o inferiore (bottom-ported).
Fig. 1 – Schema di realizzazione di un tipico microfono MEMS
Il trasduttore MEMS è realizzato in silicio mediante un processo di attacco chimico (etching) selettivo che permette di creare il diaframma meccanico e la struttura di supporto. Nel momento il cui il diaframma si flette a causa della pressione dell’onda sonora, la variazione di capacità che ne consegue è convertita in un segnale elettrico nel circuito ASIC. Quest’ultimo integra un preamplificatore audio la cui uscita analogica può essere prelevata direttamente all’esterno del chip. Nel caso fosse richiesta un’uscita di tipo digitale, il segnale proveniente dal preamplificatore viene trasferito a un convertitore A/D e a un codificatore integrato anch’esso nel circuito ASIC. Un formato comunemente utilizzato per la codifica digitale nei microfoni MEMS è la modulazione PDM (Pulse Density Modulation): essa non solo semplifica la trasmissione, poiché richiede solamente un clock e una singola linea di dati, ma anche la codifica da parte del ricevitore. Nella figura 2 vengono confrontati gli schemi applicativi dei microfoni MEMS analogici e digitali.
Fig. 2 – Mentre il circuito analogico rappresentato a sinistra garantisce la massima semplicità, il circuito digitale a destra assicura alcuni vantaggi come l’elevata immunità al rumore
Microfoni ECM (Electret Condenser Microphone)
Nella figura 3 è riportato lo schema tipico di un microfono ECM (ovvero un microfono a condensatore basato su elettrete). L’elettrete è un materiale che ha una carica elettrica quasi permanente e viene montato come un diaframma tra la rondella meccanica e il distanziatore in plastica. Esso è posizionato vicino a una piastra conduttiva formando in tal modo un condensatore in cui l’intercapedine d’aria (air gap) agisce come dielettrico. Le onde sonore provocano la flessione del diaframma, che a sua volta produce una variazione di capacità che dà origine a una tensione variabile che si può esprimere come:
ΔV = Q/ ΔC (dove Q è il valore della carica fissa).
Fig. 3- Generica sezione trasversale di un microfono ECM
Il transistor riportato in figura 3 è un JFET che amplifica e immagazzina temporaneamente (buffer) questo segnale di tensione variabile. La configurazione del JFET è solitamente del tipo a sorgente comune, mentre il circuito applicativo prevede un resistore di carico esterno e condensatore di blocco in DC come riportato in figura 4.
Fig. 4 – Tipico circuito applicativo di un microfono ECM
Prestazioni e proprietà: un confronto
I microfoni MEMS offrono numerosi vantaggi, tra cui le ridotte dimensioni del package che ne fanno un’opzione decisamente interessante in tutte le applicazioni dove lo spazio a disposizione è limitato. Grazie all’integrazione del circuito per il condizionamento dei segnali sia analogici sia digitali, è possibile conseguire significativi risparmi in termini sia di occupazione di spazio sulla scheda PCB sia sul costo della BOM. Un ulteriore punto di forza è rappresentato dal fatto che i microfoni MEMS analogici sono caratterizzati da un’impedenza di uscita relativamente ridotta, mentre quelli digitali garantiscono un’elevata immunità contro rumori elettrici esterni. Essi risultano quindi particolarmente adatti per l’uso in ambienti caratterizzati dalla presenza di campi RF o elettromagnetici di elevata intensità o in quelle applicazioni dove sono necessari lunghi fili per collegare il microfono. I microfono MEMS, inoltre, assicurano un’eccellente immunità alle interferenze prodotte da vibrazioni di natura meccanica.
Senza dimenticare che gli attuali processi utilizzati per la realizzazione dei circuiti ASIC assicurano un elevato livello di adattamento dei parametri elettrici e un’eccellente stabilità in temperatura, garantendo la massima uniformità in tutte quelle applicazioni che prevedono la presenza di un array di microfoni. I microfoni MEMS, inoltre, sono più semplici da manipolare durante la fase di assemblaggio finale in quanto sono compatibili con i processi a montaggio superficiale e con i profili di saldatura a riflusso dei componenti “lead free”.
I microfoni ECM, d’altro canto, evidenziano caratteristiche che ne fanno una valida alternativa per certi tipi di applicazione. Una di questa è la vasta gamma di opzioni disponibili per quanto concerne le terminazioni elettriche – pin, fili, piazzole saldate e contatti a molla, oltre alle terminazioni SMT – grazie alle quali I progettisti non sono limitati dai tradizionali vincoli per il montaggio sulla scheda PCB. Le maggiori dimensioni fisiche, inoltre, permettono di eseguire una sigillatura più efficace contro polvere e umidità. Quindi è molto semplice reperire un’ampia gamma di microfoni ECM con grado di protezione IP (Ingress Protection) molto elevato.
Un’altra caratteristica di rilievo è la versatilità delle proprietà acustiche: i microfoni ECM unidirezionali o con cancellazione del rumore permettono ai progettisti di sfruttare la sensibilità spaziale non uniforme per assicurare un’elevata immunità contro il rumore audio in background. I microfoni ECM, inoltre, tendono ad avere un intervallo di tensione operativa più ampio, garantendo in tal modo un funzionamento affidabile in prodotti dove i valori (rail) di tensione possono essere regolati in maniera poco precisa. Questi microfoni sono da preferire quando si vuole aggiornare un prodotto esistente. Molti prodotti legacy utilizzano microfoni di questo tipo e quindi può risultare più semplice sfruttare la medesima tecnologia – che spesso è caratterizzata da significative migliorie in termini sia qualitativi sia di materiali impiegati nel passaggio da una generazione alla successiva – per semplificare il lavoro di re-design e ridurre il time-to-market.
Una guida alle decisioni di progetto
In definitiva, per ogni particolare applicazione considerata la scelta del microfono più adatto è dettata da una serie di vincoli che è necessario tenere in considerazione. La disponibilità di un’ampia gamma di microfoni MEMS ed ECM assicura la massima flessibilità in fase di progettazione. Anche se la crescita del mercato è ascrivibile in larga misura alla tecnologia MEMS, grazie agli intrinseci vantaggi che il suo utilizzo comporta, la versatilità a livello di terminazioni e la direzionalità sono due caratteristiche particolarmente apprezzate dai progettisti nel momento in cui devono aggiornare design esistenti o sviluppare prodotti completamente nuovi. CUI è attivamente impegnata a supportare entrambe le tecnologie e propone una gamma particolarmente ampia di microfoni in modo da garantire la massima libertà di scelta ai propri clienti.
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