MEMS ed ECM: Tecnologie dei microfoni a confronto

Dagli indossabili agli assistenti domestici, sono sempre più numerosi i dispositivi che utilizzano i microfoni per acquisire con precisione praticamente qualsiasi suono. Le tecnologie più usate nella costruzione dei microfoni sono fondamentalmente due: microelettromeccanica (MEMS) e a condensatore basato su elettrete (ECM). Questo articolo prenderà in esame i principi base di entrambe le tecnologie, confronterà le loro differenze e illustrerà i vantaggi di ogni soluzione.

Microfoni MEMS

I microfoni MEMS sono costituiti da un trasduttore MEMS posizionato su una scheda a circuiti stampati (PCB) e sono protetti da una copertura metallica. Un piccolo foro praticato nella loro custodia consente l'ingresso delle onde sonore. Dalla posizione di questo foro dipende la designazione del microfono: con porta superiore se la porta acustica è sulla parte superiore della copertura; con porta alla base se la porta acustica è sulla parte inferiore, ovvero sulla PCB. I componenti MEMS hanno spesso un diaframma meccanico e una struttura di supporto fabbricata su un die semiconduttore.

Figura 1: Tipica realizzazione di un microfono MEMS con porta superiore. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Il diaframma del MEMS forma un condensatore e viene mosso dalle onde della pressione sonora. In genere, i microfoni MEMS contengono un secondo die semiconduttore che funge da preamplificatore audio che converte la capacità variabile del MEMS in un segnale elettrico. Laddove si preferisce un segnale di uscita analogico, all'utente può essere fornita l'uscita del preamplificatore audio. Se invece è richiesto un segnale di uscita digitale, sullo stesso die del preamplificatore audio viene incorporato un convertitore analogico/digitale (ADC). La modulazione di densità di impulso (PDM) è il formato convenzionale utilizzato per la codifica digitale nei microfoni MEMS e consente la comunicazione con una sola linea dati e un clock. Inoltre, la decodifica del segnale digitale sul ricevitore è semplificata dalla codifica a bit singolo dei dati.

Figura 2: Sinistra: schema applicativo di un microfono MEMS analogico. Destra: schema applicativo di un microfono MEMS digitale (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Microfoni a condensatore basati su elettrete

I microfoni a condensatore basati su elettrete (ECM) sono costruiti come illustrato nella Figura 3.

Figura 3: Schema tipico di un microfono a condensatore basato su elettrete (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

In un ECM, l'elettrete del diaframma è un materiale con una carica elettrica quasi permanente e viene montato vicino a una piastra conduttrice. Analogamente a un microfono MEMS, si crea un condensatore in cui il dielettrico è costituito dal traferro. Le onde della pressione sonora che muovono il diaframma a elettrete fanno cambiare il valore della capacità, causando la variazione della tensione attraverso il condensatore, ΔV = Q/ ΔC (Q = valore della carica fissa). Queste variazioni della tensione del condensatore sono amplificate e bufferizzate da un JFET posto all'interno dell'alloggiamento del microfono. Il JFET di solito ha una configurazione a sorgente comune con un resistore di carico esterno e un condensatore di blocco c.c. impiegati nel circuito applicativo esterno.

Figura 4: Schema del circuito applicativo di un ECM (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Vantaggi e compromessi

Al momento di scegliere tra un microfono ECM o un microfono MEMS, occorre tener conto di vari aspetti. I numerosi vantaggi offerti dalla più recente tecnologia dei microfoni MEMS sono confermati dalla rapida espansione della sua quota di mercato. Ad esempio, chi cerca soluzioni per applicazioni con limitazioni di spazio guarderà con favore alle dimensioni ridotte dei contenitori dei microfoni MEMS e alla riduzione dell'area della PCB come pure dei costi dei componenti che si ottiene includendo sia i circuiti analogici che quelli digitali all'interno dell'assieme del microfono MEMS.

Inoltre, l'impedenza di uscita relativamente bassa dei microfoni analogici MEMS, e le uscite dei microfoni MEMS digitali, sono perfette per le applicazioni in ambienti elettricamente rumorosi. Allo stesso modo, l'uso della tecnologia del microfono MEMS in ambienti con forti vibrazioni può ridurre il livello del rumore indesiderato prodotto dalle vibrazioni meccaniche. La tecnologia costruttiva dei semiconduttori unita all'aggiunta di preamplificatori audio, inoltre, permette di produrre microfoni MEMS con caratteristiche prestazionali uniformi e stabili in temperatura che li rendono particolarmente idonei per applicazioni di array di più microfoni. Durante il processo di fabbricazione, i microfoni MEMS possono tollerare anche i profili della temperatura di saldatura a rifusione.

Nonostante la diffusione dei microfoni MEMS, i microfoni a condensatore basati su elettrete rimangono un'opzione praticabile per numerose applicazioni. Dato che in molti progetti legacy sono stati utilizzati gli ECM, continuare a utilizzarli per aggiornamenti semplici dei progetti può rappresentare per gli ingegneri la soluzione più accessibile. Gli ECM offrono inoltre ai progettisti una maggiore flessibilità di montaggio, con tipi di terminazione che includono fili, pin, piazzole di saldatura, SMT e contatti a molla. Nei casi in cui polvere e umidità rappresentano un problema, grazie alle loro maggiori dimensioni fisiche è facile dotare le soluzioni ECM di alti gradi di protezione (IP). Inoltre, nelle applicazioni che richiedono una sensibilità spaziale non uniforme, esistono dei prodotti ECM con direttività sia unidirezionale che a cancellazione del rumore. Le loro ampie tensioni di funzionamento possono essere ideali anche in applicazioni con rail di tensione regolati in modo poco preciso.

Scegliere il microfono giusto

In definitiva, la scelta della tecnologia del microfono dipende dai vincoli del progetto. Anche se non è un segreto che grazie ai loro numerosi vantaggi intrinseci la popolarità dei microfoni MEMS continua a crescere, per moltissime applicazioni si ricorrere tuttora agli ECM perché offrono un'ampia scelta di opzioni di contenitore e direzionalità. Comunque, a parte la scelta di quale tecnologia adottare, Same Sky, produttore di componenti elettronici, continua a sviluppare e offrire un'ampia gamma di microfoni che garantiscono una maggiore flessibilità per soddisfare le esigenze audio.