Jak zaprojektować miernik poziomu dźwięku w oparciu o MEMS?
MEMS to systemy mikroelektromechaniczne, które są wytwarzane przy użyciu tych samych materiałów (zwykle krzemu) i technik trawienia, które są używane do tworzenia obwodów mikroelektronicznych. Techniki te umożliwiają budowanie struktur w mikroskali i nanoskali z dużą precyzją i powtarzalnością. Mikrofony MEMS są bardzo małe, ale bardzo czułe (poziom szumów zwykle lepszy niż 30 dBA). Wiele mikrofonów MEMS integruje układy wzmacniające i cyfrowe próbkowanie na poziomie urządzenia (nawet na poziomie układu scalonego), dostarczając w ten sposób bezpośrednio sygnały cyfrowe i zmniejszając koszt innych części systemu lub instrumentu. Ponadto bezpośrednia integracja obwodów analogowo-cyfrowych na poziomie urządzenia eliminuje zakłócenia elektromagnetyczne sprzężone z analogowymi liniami wejściowymi w konwencjonalnych konstrukcjach.
Mikrofony MEMS są produkowane przy użyciu ściśle kontrolowanego procesu mikrotrawienia, dzięki czemu indywidualne cechy każdego mikrofonu MEMS są niezwykle spójne. Są bardzo liniowe (0,1 procent całkowitego zniekształcenia harmonicznego (HD) lub lepsze przy 1 kHz/94 dB SPL) i mają szeroki zakres dynamiki (zwykle lepszy niż 30 dBA do 120 dBA). Ponadto mikrofony MEMS mają niewielką wrażliwość na zmiany temperatury, podobnie jak ich membrany mikrofonowe są tak małe i cienkie, że są ponad 10 razy mniej wrażliwe na wibracje niż mikrofony elektrostatyczne. Ponadto mikrofony MEMS są szeroko dostępne na rynku elektroniki użytkowej, więc są również bardzo tanie. Ich czułość pozostaje bardzo stabilna w czasie i zwykle nie wymaga ponownej kalibracji, aby pozostać w zakresie specyfikacji typu I.
Te zalety sprawiają, że mikrofony MEMS idealnie nadają się do projektów. Oczywiście mikrofony MEMS mają pewne wady, które należy nadrobić, jeśli chcą zaprojektować wydajny miernik poziomu dźwięku.
Ponieważ mikrofony MEMS dostarczają sygnały cyfrowe na poziomie urządzenia, nie jest możliwe usunięcie wnęki czułej na nacisk z obwodu i przetestowanie łącza analogowego w izolacji. Wszystkie odpowiednie normy dotyczące mierników poziomu dźwięku zostały napisane w latach 70. XX wieku i zakładały, że konstrukcja miernika poziomu dźwięku składa się z pojedynczej wnęki mikrofonu napędzającej analogowy łańcuch przetwarzania lub przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), po którym następuje cyfrowy łańcuch przetwarzania. Wymaga to użycia sygnałów elektrycznych zamiast mikrofonów do testowania mierników poziomu dźwięku. Z drugiej strony mikrofony MEMS dokonują konwersji analogowo-cyfrowej na poziomie urządzenia, co oznacza, że chociaż miernik poziomu dźwięku może mieć wydajność wymaganą do spełnienia normy, nie można go przetestować metodami określonymi w ten standard.
Ze względu na bardzo małe rozmiary krzemowych struktur mikrofonów MEMS, nawet najmniejsze cząsteczki kurzu mogą łatwo dostać się do wnęki mikrofonu i je uszkodzić. Ekstremalnie wysokie naprężenia statyczne i dynamiczne (zwykle powyżej 160 dB-SPL) mogą również powodować uszkodzenia tych małych struktur krzemowych.
Mikrofony MEMS zazwyczaj mają ostre rezonanse w zakresie od 10 kHz do 20 kHz. Wymagana jest korekcja tego rezonansu, aby odpowiedź częstotliwościowa miernika poziomu dźwięku mieściła się w granicach odpowiedniej normy.
