MEMS en comparación con ECM: una comparación de tecnologías de micrófonos

Por Bruce Rose, CUI Inc.

Desde dispositivos de vestir hasta asistentes del hogar, cada vez más dispositivos utilizan micrófonos para capturar de forma precisa casi cualquier sonido. Dos de las tecnologías más usadas en la construcción de micrófonos son los micrófonos de microsistema electromecánico (MEMS) y los micrófonos de condensador de electret (ECM), con numerosos casos de uso para cada uno. Este artículo revisará los aspectos básicos de ambas tecnologías, comparará sus diferencias y repasará las ventajas de cada solución.

Micrófonos MEMS

Creados con un componente MEMS colocado en una placa de circuito impreso (PCB) y protegidos por una cubierta mecánica, los micrófonos MEMStienen un orificio pequeño en la caja que permite que el sonido entre al dispositivo. El posicionamiento de este orificio define si el micrófono está diseñado para ser de puerto superior, si el orificio está en la cubierta superior, o para ser de puerto inferior, si está ubicado en la PCB. Los componente del MEMS a menudo tienen un diafragma mecánico y una estructura de montaje fabricada sobre un molde semiconductor.

Diagrama de la construcción típica de un micrófono MEMS de puerto superior

Figura 1: Construcción típica de un micrófono MEMS de puerto superior (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

El diafragma MEMS forma un capacitor y las ondas de presión del sonido causan el movimiento del diafragma. Por lo general, los micrófonos MEMS tienen un molde semiconductor que funciona como un preamplificador y que cambia la capacitancia del MEMS a una señal eléctrica. Se le puede proporcionar al usuario una salida al preamplificador de audio donde se prefiera una señal de salida analógica. Sin embargo, si se requiere una señal de salida digital, se incorpora un convertidor de analógico a digital (ADC) en el mismo molde que el preamplificador de audio. La modulación por densidad de pulsos (PDM) es el formato convencional utilizado para la codificación digital en los micrófonos MEMS y permite que se logre la comunicación con tan solo una línea de datos y un reloj. Además, gracias a la codificación de un solo bit de los datos, se facilita la decodificación de la señal digital en el receptor.

Esquemas de aplicación de los micrófonos MEMS análogos y digitales

Figura 2: Izquierda: esquema de aplicación de un micrófono MEMS análogo. Derecha: esquema de aplicación de un micrófono MEMS digital (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

Micrófonos de condensador electret

Losmicrófonos de condensador electret (ECM) se construyen como se muestra en la Figura 3.

Diagrama de la construcción de un micrófono de condensador electret

Figura 3: Construcción básica de un micrófono de condensador electret (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

En un EMC, el diafragma del electret es un material con una carga superficial fija que está colocado cerca de una placa conductora y, al igual que en un micrófono MEMS, se crea un capacitor con el entrehierro que forma el material dieléctrico. Las ondas de presión de sonido que mueven el diafragma hacen que el valor de la capacitancia cambie, causando una variación en el voltaje a lo largo del condensador ΔV = Q/ ΔC (Q = una carga fija). El efecto de campo de unión (JFET) dentro del receptáculo del micrófono amplifica y amortigua esas variaciones en el voltaje del capacitor. El JFET a menudo está diseñado dentro de una configuración de fuente común con un resistor de carga externa y un capacitor con bloqueo de CC en el circuito de la aplicación externa.

Esquema de aplicación de un ECM

Figura 4: Esquema de aplicación de un ECM (Fuente de la imagen: CUI Inc.)

Ventajas y desventajas

Al elegir entre un micrófono ECM o un micrófono MEMS, hay varias consideraciones que tener en cuenta. La cantidad de ventajas que ofrece la tecnología del nuevo micrófono MEMS se reflejan en su participación en el mercado que se expande cada vez más rápido. Por ejemplo, aquellos que buscan soluciones en aplicaciones de espacio limitado verán de forma favorable los tamaños pequeños de los paquetes que ofrecen los micrófonos MEMS, así como también la reducción del área de la PCB y el costo del componente, lo que se ha logrado con la inclusión de los circuitos analógicos y digitales en el ensamblaje de los micrófonos MEMS.

Además, la relativamente baja impedancia de los micrófonos MEMS analógicos y las salidas digitales de los micrófonos MEMS son perfectas para aplicaciones en entornos eléctricamente ruidosos. Del mismo modo, el uso de la tecnología de los micrófonos MEMS en los entornos de alta vibración puede reducir el nivel de ruido indeseado producido por la vibración mecánica. Fabricar micrófonos MEMS con características de desempeño de una mejor adaptación y de temperatura estable es posible gracias a la tecnología de construcción del semiconductor junto con la adición de los preamplificadores de audio, lo que los hace aptos para aplicaciones de matriz de varios micrófonos. Durante el proceso de fabricación, los micrófonos MEMS también pueden tolerar perfiles de temperaturas de soldadura por reflujo.

A pesar del auge de los micrófonos MEMS, los micrófonos de condensador electret siguen siendo una opción viable para una variedad de aplicaciones. Con tantos diseños anteriores que han usado los ECM, seguir usando un ECM para actualizaciones sencillas del sistema puede darle la solución más simple a los ingenieros. Los EMC también le dan a los diseñadores flexibilidad de montaje añadida con tipos de terminaciones, que incluyen cables, pines, almohadillas de soldadura, SMT y contactos de resorte. Cuando el polvo y la humedad son un problema, es fácil extraer las soluciones de ECM con clasificaciones altas de protección de ingreso (IP) debido a su mayor tamaño. Además, en las aplicaciones que requieren una sensibilidad espacial desigual, existen productos ECM con funcionamiento unidireccional o de cancelación de ruido. Sus voltajes de funcionamiento de amplia clasificación también pueden ser ideales en aplicaciones con rieles de voltaje de regulación flexible.

Selección del micrófono adecuado

En última instancia, su elección de tecnología de micrófono depende de las limitaciones de su proyecto. Aunque no es un secreto que los micrófonos MEMS son cada vez más populares gracias a sus numerosas ventajas intrínsecas, aún se tiene confianza en los ECM en una gama de aplicaciones debido a la variedad de opciones de paquete y direccionalidad. Sin embargo, apartando las elecciones de tecnología, el fabricante de componentes electrónicos CUI sigue desarrollando y ofreciendo una amplia gama de productos de micrófonos, que le dan a usted una flexibilidad añadida cuando se trata de sus necesidades de audio.

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Acerca de este autor

Bruce Rose, CUI Inc.

Artículo redactado por Bruce Rose, ingeniero de aplicaciones principales, CUI Inc.