MEMS 실리콘 마이크로폰은 휴대폰, 보청기, 스마트 스피커, 컴퓨터 및 차량에 이르기까지 모든 것에 사용됩니다. MEMS 마이크로폰로폰의 작동 방식, 사용 방법 및 사용 가능한 항목에 대한 기본 사항을 알아봅니다.
미세 전자 기계 시스템(MEMS)은 원래 집적 회로(IC)용으로 개발된 기술을 사용하여 실리콘에 에칭 및 제조됩니다. 미세 가공된 잉크젯 노즐이 최초일 수 있지만 1990년대 이후 MEMS 기술은 마이크로폰을 포함한 다양한 센서 및 기타 전기 기계 장치를 만들었습니다.
MEMS 마이크로폰은 작고 저렴하며 쉽게 구할 수 있습니다. 마이크로폰 요소 자체는 1mm 미만이며 일반적으로 훨씬 작습니다. 대부분은 표면 실장 IC 인클로저로 제공되며 아날로그 또는 디지털 출력이 있는 증폭 회로망을 포함합니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 오디오 신호의 입력 포트는 패키징된 MEMS IC의 상단 또는 하단에 있을 수 있습니다.
대부분의 마이크로폰은 음질이 좋은 소비자 등급이지만 전문 오디오에 사용되는 마이크로폰과 같지는 않습니다.
1. MEMS 마이크로폰 동작방식 - 아날로그 vs 디지털 마이크로폰 출력
모든 마이크로폰은 아날로그 오디오 신호로 시작하고 프리앰프(버퍼라고도 함)를 사용하여 오디오를 사용 가능하지만 여전히 낮은 레벨로 부스트합니다.
1) MEMS 마이크로폰 아날로그 출력
아날로그 마이크로폰은 증폭된 신호를 출력으로 직접 보냅니다. 출력 스타일에는 단일 종단과 차동이라는 두 가지가 있습니다. 차동 시스템에는 서로 위상이 180도 다른 두 개의 출력이 있습니다. 아날로그 마이크로폰에는 출력이 단일 종단인지 차동인지에 따라 전원, 공통(접지) 및 1개 또는 2개의 출력과 같은 3개 또는 4개의 핀이 있습니다.
전원은 항상 단일 양극 공급 장치에 의해 공급됩니다. 이렇게 하면 출력에 DC 오프셋이 생성되며, 아래 그림과 같이 커패시터로 분리해야 합니다.
공급 전압은 일반적으로 1.8V에서 3.5V 사이이며 일반적인 DC 오프셋은 0.8V에서 1.5V입니다.
2) MEMS 마이크로폰 디지털 출력
디지털 출력이 있는 MEMS 마이크로폰은 아날로그-디지털(A/D) 변환을 수행하여 증폭된 아날로그 오디오 신호를 디지털로 변경합니다. 대부분은 그림 3과 같이 델타-시그마 변환을 사용하여 PDM(펄스 밀도 변조) 출력을 생성합니다.
펄스 밀도(즉, 논리적으로 높은 펄스의 백분율)는 전압에 비례합니다. 이것은 디지털 단어가 생성되지 않고 펄스만 생성되기 때문에 일반적으로 디지털이라고 생각하는 것이 아닙니다. 펄스 스트림은 단순히 저역 통과 필터를 통과시켜 디코딩할 수 있지만 일반적으로 마이크로폰로프로세서 프로그램 또는 오디오 코덱(코더/디코더)이 사용됩니다.
대부분의 디지털 출력 MEMS 마이크로폰에는 5개의 핀이 있습니다.
- 전원
- 공용(접지)
- 출력
- 클럭 입력
- L/R(왼쪽/오른쪽) 선택
L/R 셀렉트는 하이로 묶인 경우(왼쪽) 클럭이 하이가 된 후 A/D 출력이 전송됩니다. 낮으면 데이터가 낮은 클럭 전환을 따릅니다. 이러한 방식으로 왼쪽 및 오른쪽 출력을 동일한 데이터 라인을 통해 보낼 수 있습니다.
일부 마이크로폰은 원래 Philips Semiconductor(현재 NXP Semiconductors)에서 만든 I2S(Inter-IC Sound) 표준을 사용합니다. PDM과 마찬가지로 클럭 및 L/R 선택 입력이 있지만 출력은 변조 펄스가 아닌 디지털 워드입니다. PDM과 마찬가지로 마이크로폰로프로세서 소프트웨어 또는 I2S 코덱으로 디코딩할 수 있습니다. 또한 저역 통과 필터로 디코딩할 수 없습니다.
2. MEMS 마이크로폰 기술
대부분의 MEMS 마이크로폰은 정전식 센서 기술을 사용합니다. 실리콘 구조의 얇은 도금 멤브레인이 소리와 함께 진동하여 다양한 정전 용량을 생성합니다. 커패시터의 두 번째 플레이트는 실리콘의 고정된 표면에 있습니다. IC의 차지 펌프는 커패시터에 높은 DC 전압을 발생시킨다. IC 회로는 정전 용량 변화를 MEMS 멤브레인의 오디오 신호를 대표하는 전기 신호로 변환합니다.
최근에는 일부 제조업체에서 압전 감지 소자를 사용하여 마이크로폰을 만들었습니다. 압전 소자의 움직임은 오디오 전압을 생성합니다. 이러한 회사는 정전 용량에 비해 몇 가지 이점을 주장하지만 대부분의 응용 분야에서 어떤 기술을 사용하는지는 중요하지 않습니다.
"실리콘 마이크로폰"라는 용어도 볼 수 있습니다. 이것은 세 번째 기술이 아니라 실리콘 MEMS 마이크로폰을 설명하는 다른 방법일 뿐입니다.
3. MEMS 마이크로폰 패키징
마이크로폰 소자와 회로는 동일한 실리콘 칩에 있지 않습니다. 대신 마이크로폰과 별도의 ASIC(주문형 반도체)가 그림과 같이 와이어 본딩으로 연결된 동일한 패키지에 결합되어 있습니다.
MEMS 마이크로폰은 표면 실장 조립을 위한 IC와 유사한 패키지로 제공됩니다. 물론 소리가 들어올 수 있도록 포트가 필요합니다. MEMS 마이크로폰의 앞부분과 같이 상단 및 하단 포트를 사용할 수 있습니다. 하단 포트가 있는 마이크로폰을 사용하는 경우 아래 그림과 같이 마이크로폰 아래의 회로 기판에 구멍을 뚫어야 합니다.
4. MEMS 마이크로폰의 PCB 실장
표준 리플로 납땜 기술은 MEMS 마이크로폰을 PCB에 부착하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 물론 오염 물질이 사운드 포트에 들어가지 않도록 주의해야 합니다.
진공 픽업을 사용하는 경우 사운드 포트에 닿지 않도록 하십시오. 또한 포트에 공기를 불어넣거나 마이크로폰을 진공 상태에 노출시키지 마십시오. 마지막으로, 설계에서 공통 바이패스 커패시터를 마이크로폰에 최대한 가깝게 배치합니다. 0.1uF 세라믹 커패시터는 일반적으로 전력 디커플링에 적합합니다.
5. MEMS 마이크로폰 일반 사양
대부분의 MEMS 마이크로폰은 사양이 비슷합니다. 다음은 몇 가지 일반적인 값입니다.
- 아날로그 출력 감도(일반): -38dBV(94dB SPL, 1kHz 기준)
- 디지털 출력 감도(일반): -26dB FS(94dB SPL, 1kHz 기준)
이러한 각 사양이 의미하는 바를 더 자세히 살펴보겠습니다.
- dBV는 1V 기준을 나타내는 데시벨을 의미합니다. -38dBV는 12.6mV에 해당합니다.
- dB FS는 A/D 컨버터의 전체 스케일을 나타내는 데시벨을 의미합니다.
- SPL은 음압 레벨을 의미합니다.
정상적인 음성 레벨에서 아날로그 마이크로폰의 출력은 낮은 밀리볼트이고 디지털은 풀 스케일보다 훨씬 낮습니다.
- 주파수 응답: 일반적으로 저역에서 80 또는 100Hz, 최대 10 또는 15kHz. 음성에는 적합하고 대부분의 오디오에는 꽤 좋습니다. 일부는 20Hz까지 내려갑니다. 하이엔드에서는 더 높은 주파수에서 응답이 증가하며 약 30-40kHz에서 상당한 초음파 공명 피크가 발생합니다. 그 이상에서는 응답이 떨어집니다.
- 작용 온도: 최대량은 -40에서 +85 섭씨 온도입니다.
- 공급 전압: 1.5 또는 2V에서 3 또는 3.6V까지. 사양은 다양합니다.
- 크기: 3 x 4mm 이하, 높이 약 1-1.5mm. 대부분은 동일한 표면 실장 패드 패턴을 사용합니다.
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