Микрофоны на основе технологии MEMS для поверхностного монтажа
Технология MEMS (Micro Electro Mechanical Systems — электромеханические микросистемы) — это изготовление электромеханических устройств методами полупроводниковой технологии. Традиционно на кремниевой подложке создаются проводящие дорожки для создания электрических соединений внутри микросхем. В дополнение к этому, MEMS преобразует кремний в механически движущиеся части. За последнее десятилетие использование этого процесса в производстве все более расширяется. Например, автомобильный рынок использует MEMS-акселерометры как датчики аварий для срабатывания защитных подушек безопасности. На базе MEMS-технологии фирмы Knowles Acoustics выпустила микрофоны SiSonic в конструктивном исполнении для поверхностного монтажа.
Как работает MEMS-микрофон?
Совершенствование процесса MEMS привело к созданию миниатюрного дешевого микрофона с высокими параметрами. В некоторых приложениях такой прибор обеспечивает определенные преимущества над традиционными электретными микрофонами (ECM). Путем нанесения и травления полупроводникового материала на кремниевой подложке формируется конденсатор, являющийся основой микрофона. Как и обычный электретный микрофон, MEMS-микрофон состоит из гибкой диафрагмы, жесткой подложки и демпфирующего отверстия с электрическим зарядом на подложке. Диафрагма находится в непосредственной близости от подложки, образуя конденсатор. Под воздействием звукового давления диафрагма движется, при этом изменяется емкость между ней и подложкой. Эти изменения измеряются и выводятся в виде электрического сигнала.
Если отвлечься от процесса формирования кремния, то основное различие между ECM и кремниевым микрофоном заключается в том, как поддерживается заряд на подложке. В ECM заряд подложки формируется в процессе изготовления. Если по какой-либо причине заряд уменьшится или исчезнет, то динамический отклик микрофона быстро деградирует. Чаще всего деградация вызывается перегревом. По этой причине ECM-микрофоны не применяются при температуре свыше 85 градусов и не могут быть припаяны в процессе автоматического поверхностного монтажа. Кремниевый микрофон после изготовления не имеет заряда. Заряд при напряжении 12 В закачивается в подложку с помощью КМОП-схемы. Микросхема поддерживает этот заряд, когда микрофон активирован.
Традиционно электретные микрофоны используются в беспроводных приложениях, поскольку обеспечивают высокую чувствительность благодаря гибкой диафрагме большого размера (обычно 6 мм). Если уменьшать размер ECM-микрофона, его чувствительность очень быстро падает. Микрофоны для поверхностного монтажа фирмы Knowles Acoustics обеспечивают высокую чувствительность (-42 дБВ) даже с диафрагмой диаметром 0,5 мм. Это обеспечивается благодаря запатентованной свободно плавающей диафрагме. Малый размер диафрагмы обеспечивает значительное снижение размеров и стоимости, поскольку тысячи микрофонов могут быть сделаны из одной кремниевой пластины.
Выбор корпуса
Конструкции корпусов кремниевых микрофонов должны удовлетворять многим требованиям: иметь малые размеры, низкую стоимость, высокую степень воспроизводимости при производстве, гибкость при изменении дизайна. Корпус должен также обеспечивать решение типичной для портативных устройств проблемы — защиты от электромагнитных наводок. Разработанный корпус отвечает не только всем указанным требованиям, но даже превышает некоторые из них. Микрофон в сборке (КМОП + MEMS) заключен в легко собираемый корпус на металлической плате для создания эффекта клетки Фарадея. На подложке смонтированы фильтрующие конденсаторы для защиты от наводок. Такой подход также обеспечивает определенную гибкость конструкции для того, чтобы менять размер корпуса, обеспечить возможность извлечения микрофонного кубика, использования влагозащитной крышки, установки заказной КМОП ИМС с фильтрами, усилителем сигнала и АЦП, а также изменения размера или места акустического порта в случае изменения функций микрофона.
Корпус выдерживает температуру до 100 градусов в непрерывном режиме и может быть подвергнут нагреванию в процессе пайки в типичных для линий поверхностного монтажа условиях. Если необходимо, можно расширить диапазон температур работы и хранения свыше 100 градусов путем использования высокотемпературного материала подложки. С данным корпусом микрофон обеспечивает плоскую частотную характеристику в звуковом диапазоне от 100 Гц до 10 кГц.
Следует заметить, что после напайки на плату микрофон не должен подвергаться промывке. Если производитель промывает плату, то возникает риск попадания раствора в акустическую часть. Некоторые производители вс╦ ещ╦ промывают свои платы после пайки для удаления излишков флюса. Этого можно избежать на линиях высокопроизводительной сборки, на которых используется флюс, не требующий очистки.
Какие проблемы решает кремниевый микрофон?
Кремниевые микрофоны фирмы Knowles Acoustics предназначены для поверхностного монтажа. Поскольку традиционный микрофон не может быть припаян в стандартном процессе пайки на линии, были разработаны различные методы ручной установки, например:
- ручная пайка на печатную плату;
- ручная пайка к гибким проводникам, которые присоединяются к золоченым контактам на печатной плате;
- ручная установка не впаиваемого микрофона с помощью проводящей гибкой втулки с последующим прижатием к плате;
- ручная установка не впаиваемого микрофона в штырьковый разъем с прижатием к плате;
- ручная установка не впаиваемого микрофона в подпружиненную чашечку с прижатием к плате.
Ни один из перечисленный подходов не является идеальным. В примере с ручной пайкой микрофон необходимо дополнительно тестировать для того, чтобы убедиться, что в процессе пайки он не был поврежден. В силу своей природы, пайка не на линии увеличивает стоимость производства. Кроме того, выход годных изделий в таком процессе меньше 100%, иначе не требовалось бы тестирование после пайки. Это означает переделку или отбраковку печатной платы.
Микрофон Knowles Acoustics мал по размерам. По сравнению с 6-мм микрофоном, кремниевому микрофону требуется более чем на 20% меньше места на передней стороне платы. Поскольку он предназначен для поверхностного монтажа, то использует только переднюю сторону платы. Обычный же микрофон ECM устанавливается в отверстие, поэтому занимает место на обеих сторонах платы. Кремниевый микрофон имеет также на треть меньшую высоту, чем стандартные 2,2 мм у используемого в настоящее время микрофона.
По сравнению с другими схемами подключения микрофона без пайки через разъемы, выигрыш в использовании места оказывается ещ╦ большим. Кремниевый микрофон требует на 40% меньше места и не более половины высоты современных микрофонов. Кроме того, микрофон Emkay позволяет устранить дополнительную деталь — разъем. Наконец, микрофон с ручной установкой не всегда имеет надежный электрический контакт. При этом сигнал от микрофона будет слабым, и произойдет потеря чувствительности.
Кремниевый микрофон Knowles Acoustics очень устойчив к воздействию окружающей среды. Он может противостоять температуре до 100 градусов, в то время как микрофоны по существующей технологии не могут противостоять температуре свыше 85 градусов. Превышение этой температуры может привести к потере микрофоном ECM своего заряда и чувствительности. Далее, кремниевый микрофон высоко устойчив к ударам. Микрофоны ECM известны своими отказами при повторяющихся ударах. Кремниевый микрофон разработан так, что в состоянии противостоять ударам до 5000g. Наконец, чувствительность микрофона к вибрациям зависит от массы диафрагмы микрофона. В кремниевом микрофоне масса диафрагмы намного меньше, чем в стандартном микрофоне, поэтому он не в такой степени подвержен действию вибраций. В портативных устройствах типа сотовых телефонов, PDA и ноутбуках вибрации могут оказывать большой эффект на качество акустики.
Оптимальные области применения кремниевых микрофонов
Сотовые и WAP-телефоны, PDA, ноутбуки и аудиоаппаратуру логично считать основным массовым рынком. Эти приборы выпускаются в большом объеме и именно для них выгодно применение кремниевых микрофонов поверхностного монтажа. Производители этих товаров затрачивают внушительные суммы на дополнительные детали, внепоточную сборку и ручную работу.
Для этих же производителей весьма существенна и экономия места. Разработчики продолжают увеличивать функциональность, одновременно снижая размеры. Хорошим примером служат ПДА. Внутри типичного ПДА вс╦ место буквально заполнено и, если изготовитель захочет добавить туда микрофон, то сделать это с EMC-микрофоном будет гораздо труднее, чем с кремниевым.
Температурный диапазон, устойчивость к ударам и чувствительность к вибрациям являются проблемой большинства портативных приборов. Когда люди оставляют сотовый телефон в автомобиле, стоящем на солнце, температура внутри кабины легко превышает 85 градусов, явно за границей допустимого диапазона для обычного микрофона ECM, и возникает проблема с надежностью. Не так уж редко мобильные телефоны роняют на асфальт. Большинство аппаратов подвергаются таким ударам хотя бы раз, а некоторые и многократно. Наконец, вибрации постоянно сопровождают все портативные приборы. Влияние всех этих воздействий может быть существенно ослаблено с использованием кремниевых микрофонов.
Пьезоэлектрические MEMS-микрофоны значительно улучшат запись звука смартфонами
В рамках выставки MWC 2016 компании Infineon, AAC Technologies и стартап Vesper представили новое поколение микрофонов на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) — пьезоэлектрические MEMS-микрофоны (в настоящее время распространены конденсаторные MEMS-микрофоны). Как водится, всё новое — это неоднократно проданное старое. Микрофоны на MEMS не являются чем-то новым. Главное их достоинство — это компактные размеры и возможность выпускать главные элементы микрофонов — MEMS-структуры — на полупроводниковых подложках подобно тому, как выпускаются традиционные микросхемы. Такие микрофоны в сборе представляют собой модули со сторонами два–три миллиметра. Это близкое к идеалу решение для установки в тонкие смартфоны. К сожалению, остаются потери в качестве записи звука, но более совершенные микрофоны попросту не поместятся в смартфон.
Пример MEMS-микрофона отдельно и в сборе (ADI)
Между тем новые модели мобильных устройств — смартфонов и планшетов — могут похвастаться прорывом в качестве записи видео, которое достигает разрешения 4K. Для полноты «картинки» микрофонам надо догонять в качестве записи. Новые микрофоны на матрицах MEMS с использованием в качестве фиксирующего звуковые волны элемента на базе пьезоэлектрика обещают наилучшее в индустрии соотношение сигнал/шум — на уровне 66 дБ, а также способность вести запись без искажений звука на уровне 135 дБ. Это выше болевого порога для человека, который установлен на отметке 130 дБ.
Пьезоэлектрические микрофоны тоже нельзя считать современным изобретением. Этому принципу записи много лет. Тем не менее в сочетании с матрицами MEMS — это прогрессивное решение. К другим несомненным достоинствам нового решения относится высокий уровень защиты от загрязнения и влаги. На стенде Vesper можно было увидеть пьезоэлектрический MEMS-микрофон, который не терял работоспособность даже при погружении в воду. Это тем более важно, так как вторая по числу негарантийных случаев поломка у смартфонов — это отказ микрофонов по причине загрязнения. Современные MEMS-микрофоны с конденсаторным элементом также подвержены этой напасти и требуют специальных мер для защиты.
Работа пьезоэлектрического MEMS-микрофона в ёмкости с водой (Vesper)
Наконец, особенности разработанной конструкции пьезоэлектрического MEMS-микрофона Vesper и компании Infineon позволяют с высокой точностью вести направленную запись. Это достигает как за счёт качеств самого микрофона, так и благодаря организации массива микрофонов. Кстати, для приложений с виртуальной реальностью точность позиционирования звука будет играть важную роль, поэтому пьезоэлектрические микрофоны могут прописаться в VR-системах.
Полупроводниковая пластина с MEMS-микрофонами (Infineon)
Производством пьезоэлектрических MEMS-микрофонов на уровне полупроводниковых пластин занимаются обе компании — Infineon (на своих заводах) и Vesper (на линиях компании GlobalFoundries). В то же время они не собираются выпускать готовые для установки в смартфоны модули. Компания Vesper поставляет пластины с MEMS-микрофонами гонконгской компании AAC Technologies, а та, в свою очередь, продаёт готовые микрофоны китайским клиентам и компании Apple. Немецкая Infineon поставляет пластины с MEMS-микрофонами компаниям AAC, Goertek, Hosiden и BSE. Отметим, у Infineon больше шансов захватить значительный кусок нового рынка, чем у кого-то другого.
Mems микрофон что это
Микрофоны МЭМС (микроэлектромеханические системы) представляют собой микроустройства, которые обеспечивают высокую точность акустической чувствительности и достаточно малы для включения в плотно интегрированный электронный продукт. Неудивительно, что их можно найти в смартфонах и других потребительских продуктах, таких как блютуз колонки и гарнитуры. В настоящее время микрофоны МЭМС используются не только для записи простого окружающего звука, но и поддерживают стерео возможности, активное шумоподавление, направленность (сквозь формирование луча), распознавание голоса и другие возможности. Эти звуковые функции реализуются путем увеличения количества микрофонов на устройстве. Например, новейшие смартфоны включают в себя до 6 микрофонов на основе МЭМС. Широкий спектр использования микрофонов МЭМС создал значительный спрос на эти высокопроизводительные устройства.
Что такое емкостный микрофон МЭМС и как он работает?
Все микрофоны (обычные и на основе МЭМС) воспринимают акустические волны с помощью гибкой мембраны. Мембрана движется под давлением, вызванным акустическими волнами. Сегодня большинство MEMS-микрофонов на рынке используют емкостную технологию* для улавливания звука. Емкостные микрофоны МЭМС работают путем измерения емкости между гибкой микромасштабной мембраной и неподвижной опорной пластиной. Изменения давления воздуха, создаваемые звуковыми волнами, заставляют мембрану двигаться. Опорная пластина перфорирована, чтобы воздух проходил через нее, и спроектирована так, чтобы оставаться жесткой, так как воздух может проходить через отверстия. По мере перемещения мембраны емкость между подвижной мембраной и неподвижной опорной пластиной изменяется (поскольку расстояние между ними изменяется), и это изменение в электрической цепи может быть проанализировано и записано.
* Обратите внимание, что в некоторых микрофонах MEMS используется пьезоэлектрическая технология, в которой тонкий пьезоэлектрический слой и его электроды непосредственно прикреплены к верхней части мембраны. Когда пьезоэлектрический слой перемещается под давлением звуковых волн, возникает электрический сигнал из-за пьезоэлектрического эффекта. Эту конфигурацию также можно изучить с помощью CoventorMP.
Рисунок 1: Варианты конструкции емкостных микрофонов на основе МЭМС
Существует несколько разновидностей емкостных микрофонов на основе MEMS, например:
- Микрофоны с одной опорной пластиной, как описаные выше;
- Микрофоны с двойной опорной пластиной, выполненные из одной опорной пластины с каждой стороны мембраны;
- Двухмембранные микрофоны с опорной панелью, заключенной между двумя мембранами, с возможностью создания вакуума между мембранами.
Проектирование микрофонов на основе МЭМС
Разработчик микрофона МЭМС захочет оптимизировать ключевые показатели производительности, такие как частотная характеристика, чувствительность, отношение сигнал / шум (SNR), полное гармоническое искажение и эквивалентный шум на входе. Отношение сигнал / шум является ключевым показателем производительности, и различные варианты емкостных микрофонов МЭМС нацелены на увеличение отношения сигнал / шум за счет увеличения сигнала (с использованием двойной опорной пластиной и двойной мембраной) или снижением шума (с использованием герметичного вакуума между двумя мембранами).
Емкостные микрофоны МЭМС и их рабочие характеристики могут быть спроектированы, смоделированы и изучены с использованием MEMS+, модуля платформы проектирования МЭМС — CoventorMP. MEMS+ поддерживает проектирование микрофонов МЭМС, предоставляя параметрические, нелинейные и мультифизические модели отдельных структур МЭМС, которые могут быть собраны в готовую конструкцию МЭМС микрофона. Более того, интеграция микрофона MEMS+ в схему Cadence Virtuoso дает уникальную возможность моделирования МЭМС микрофона и его специализированной интегральной схемы с использованием специфичных условий смещения интегральной схемы.
Рисунок 2: Пример модели МЭМС Микрофона с двойной опорной пластиной в MEMS+
Будущее проектирования МЭМС Микрофона
Сегодня, в эпоху искусственного интеллекта, мы видим новые стратегии проектирования MEMS, в которых используются инновационные методы автоматической оптимизации. Например, группа из Института автоматизации проектирования электроники Мюнхенского технического университета изучила и продемонстрировала автоматическую оптимизацию конструкции МЭМС Микрофона в MEMS+, включая схему считывания.
Необычные уязвимости обычных датчиков
Голосовых помощников можно обмануть с помощью лазера, а датчик движения — с помощью музыки.
То, что теперь у каждого цифрового устройства есть куча «органов чувств», помогающих ему взаимодействовать с физическим миром, — это, с одной стороны, удобно. Но с другой — создает новые, порой весьма неожиданные угрозы. Дело в том, что эти «органы чувств» хоть и близки к человеческим функционально, но по конструкции и возможностям сильно от них отличаются. И об этом не всегда задумываются при разработке электроники.
Взять, к примеру, ультразвуковые команды: человек их не слышит, а голосовые помощники — не только слышат, но и исполняют. Впрочем, взлом ассистента с помощью звука, хоть и неуловимого для человеческого уха, — это хотя бы как-то можно понять и предугадать. А вот как насчет… света?
Как услышать свет: MEMS-микрофоны и их причуды
Оказывается, если преобразовать голосовую команду в мерцание лазера и направить луч на микрофон, то ассистент благополучно распознает и выполнит запрос. Это выяснили исследователи из Университета электрокоммуникаций японского города Тёфу и Мичиганского университета. Они смогли передать команды гаджетам на расстояние в несколько десятков метров. Единственное условие — между источником лазерного луча и микрофоном устройства должна быть прямая видимость.
Исследователи опробовали лазерную атаку на умных колонках, смартфонах, планшетах и других устройствах, работающих под управлением Amazon Alexa, Apple Siri и Ассистента Google. Везде трюк сработал, различалось лишь расстояние, на котором микрофон улавливал сигнал — от 5 до 110 метров. Теоретически дальность атаки может быть и больше, если мощность лазера и характеристики объектива позволяют.
В видео ниже (в качестве примера того, что можно сделать с помощью данного метода) исследователи, сидя в соседнем здании, заставляют умную колонку Google Home открыть гараж.
Почему MEMS-микрофоны реагируют на свет
Теперь немного о том, как это работает. Лазерная атака возможна из-за особенностей устройства микрофонов в гаджетах. Большинство современных микрофонов, встроенных в умную электронику, относится к микроэлектромеханическим системам (сокращенно — МЭМС или MEMS). Это миниатюрные устройства, в которых электронные и механические компоненты объединены в одну замысловатую конструкцию.
MEMS-устройства массово изготавливают по тем же технологиям, что и компьютерные чипы, в основном из того же материала — кремния, и с той же степенью миниатюризации: размеры отдельных деталей этих устройств измеряются в микрометрах или даже нанометрах. При этом стоят MEMS-устройства невероятно дешево, так что уже успели вытеснить большинство других вариантов конструкции датчиков и прочих миниатюрных приспособлений, которые работают на стыке электроники и физического мира.
Основная чувствительная часть MEMS-микрофона — это тончайшая мембрана, примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Эта мембрана колеблется под воздействием звуковых волн. В результате пространство между ней и неподвижной частью датчика то увеличивается, то уменьшается. При этом мембрана и неподвижное основание датчика вместе образуют конденсатор, так что при изменении расстояния между ними меняется емкость. Эти изменения несложно измерить и записать, а потом преобразовать в звукозапись.
Луч света тоже может создавать волны, вызывающие колебания чувствительной мембраны. Так называемый фотоакустический эффект известен еще с конца XIX века. Тогда шотландский ученый Александр Грейам Белл (да-да, тот самый, который запатентовал телефон) изобрел фотофон — прибор, позволяющий обмениваться звуковыми сообщениями с помощью луча света на расстоянии в несколько сотен метров.
Чаще всего фотоакустический эффект возникает из-за того, что свет нагревает то, на что попадает. При нагревании предметы расширяются и становятся больше, а когда остывают — уменьшаются до исходных размеров. То есть под воздействием мерцающего лазерного луча они будут меняться в размере. Вы, скорее всего, этого не заметите, но MEMS-датчик — микроскопический и восприимчив даже к микроскопическому воздействию. Поэтому подобные колебания он почувствует и честно преобразует в звукозапись, которая потом будет распознана как голосовая команда.
Музыка движения: чувствительность MEMS-акселерометра к звуку
Технология MEMS используется не только в микрофонах, но и во множестве других датчиков. Взять, к примеру, датчики движения — гироскопы и акселерометры. Они есть в кардиостимуляторах, подушках безопасности в автомобилях и много где еще. Именно они отвечают за поворот экрана в смартфонах и планшетах, и их тоже можно обмануть необычным способом.
Пару лет назад исследователи из университетов Мичигана и Южной Каролины провели эксперимент, подчинив акселерометры, которые в норме должны реагировать на движение… звуку.
Почему MEMS-акселерометры реагируют на звук
А дело тут вот в чем. Датчик определяет, что устройство движется, по смещению микроскопического груза. Звуковые волны могут вызывать колебания груза, заставляя акселерометр думать, что он перемещается в пространстве. Исследователи испытали два десятка распространенных моделей акселерометров, и три четверти из них оказались восприимчивы к звуку.
Так, в рамках исследования ученые заставили фитнес-браслет Fitbit считать липовые шаги, а смартфон — рулить радиоуправляемой машинкой, лежа на столе. Обычно игрушка реагирует на наклон гаджета, но исследователи обманули датчик смартфона при помощи музыки, которую включили на нем же.
Надышались гелием: iPhone в отключке
Не все причуды MEMS находят в лабораторных условиях. Сисадмины одной из американских клиник столкнулись со странным явлением во время установки нового аппарата МРТ: сотрудники медцентра начали жаловаться на неработающие телефоны. Расследование показало, что из строя вышли только устройства Apple, в то время как гаджеты других производителей (а также компьютеры и медицинские аппараты) работали как ни в чем не бывало.
Виновником происшествия оказался сжиженный гелий, который применяется для охлаждения рабочих узлов томографа. При монтаже аппарата часть гелия вытекла, испарилась и распространилась по клинике — и даже малой концентрации газа хватило для того, чтобы айфоны начали впадать в летаргический сон.
Почему iPhone перестают работать из-за гелия
В отличие от прочей техники в клинике, в которой микроэлектромеханические устройства тоже используются, но не критичны для системы, в Apple Watch и айфонах начиная с шестого они отвечают за работу тактового генератора — по сути, часов, которыми пользуется вся более умная электроника. А без точного времени устройства жить не могут.
Внутри MEMS-генераторов, которые оказались виновниками отказа айфонов, создается вакуум, необходимый для их нормальной работы. Чтобы этот вакуум ничто не заполнило, при производстве чипы наглухо «запечатывают» тонким слоем кремния. Однако молекулы гелия настолько малы, что проникают сквозь кристаллическую решетку кремния и мешают нормальной работе содержащегося внутри чипа микроскопического резонатора. В результате электроника сходит с ума, айфон выключается и перестает на что-либо реагировать.
О том, что гаджеты Apple не переносят гелий, в компании знают и даже предупреждают в руководстве пользователя: «Если iPhone находится в условиях с высокой концентрацией промышленных химикатов, в том числе вблизи испарившихся сжиженных газов, таких как гелий, возможно повреждение iPhone или нарушение его функциональности». Однако подобные ситуации так редки, что о них мало кто задумывается.
Впрочем, «продышавшись», большинство пострадавших устройств пришло в норму (правда, на это требуется довольно много времени — до нескольких дней). А производитель MEMS-датчиков, которые используются в iPhone, уверяет, что более новые поколения устройств невосприимчивы к подобным газам.
Берегите свои устройства
Пока инциденты с датчиками — скорее исключение, чем правило. Более того, производители постоянно улучшают свои продукты, а исследователи предлагают варианты защиты от смоделированных атак. Но на всякий случай рекомендуем вам держать свои гаджеты подальше от окон, баллонов с гелием и прочей химией.