Rynek aparatów słuchowych, z uwagi na starzejące się społeczeństwo i zwiększające się odsetek ludzi z problemami z słuchem, nieprzerwanie rośnie. W związku z tym rosną także wymagania co do technicznych stron takich produktów. Użytkownicy poszukują urządzeń o coraz mniejszym rozmiarze i dłuższym czasie życia baterii. Zbyt duże rozmiary i krótki czas pracy na pojedynczej baterii odstrasz wiele osób od zakupu tego typu urządzenia. Jako że problemy z utratą słuchu są coraz popularniejsze w społeczeństwie coraz bardziej pożądane są niewielkie aparaty słuchowe oferujące coraz lepszą jakość dźwięku. Początkowym elementem przetwarzania dźwięku w aparacie słuchowym jest mikrofon. Zadaniem tego elementu jest wychwytywanie mowy oraz innych dźwięków z otoczenia zatem polepszenie wychwytu audio z otoczenia prowadzi do polepszenia jakości działania układu a zmniejszenie poboru mocy przez ten element pozwoli uczynić całe urządzenie efektywniejszym co pozwala na dłuższą pracę na zasilaniu bateryjnym.
Mikrofon jest przetwornikiem którego zadaniem jest konwersja sygnałów akustycznych na sygnał elektryczny, który może być przetwarzany przez łańcuch sygnałowy wbudowany w aparat słuchowy. Istnieje wiele różnych technologii pozwalających na zrealizowanie przetwornika akustyczno-elektrycznego. W ciągu ostatnich lat mikrofony pojemnościowe są uznawane za najmniejsze i najdokładniejsze tego typu przetworników. W mikrofonach tego typu membrana porusza się pod wpływem zmiennego ciśnienia sygnału akustycznego. Ten ruch powoduje zmianę pojemności, która to wykorzystywana jest do generacji użytecznego sygnału elektrycznego.
Elektretowe mikrofony pojemnościowe (ECM) to technologia najszerzej stosowane w aplikacjach aparatów słuchowych. Mikrofony tego typu w swojej konstrukcji wykorzystują materiał z stałym ładunkiem elektrycznym jako jedną z okładzin kondensatora. Technologia ta jest dzisiaj bardzo popularna w wielu aplikacjach, ale jej podstawy teoretyczne zostały utworzone w latach '60 XX wieku. Parametry tych mikrofonów, powtarzalność urządzeń podczas produkcji i zachowanie w funkcji temperatury i innych czynników atmosferycznych nie są zbyt dobre. Aparaty słuchowe i inne układy gdzie parametry sygnału audio są krytyczne, są potencjalnym polem aplikacji nowych mikrofonów operujących lepsze parametry sygnału audio i wyższą powtarzalność parametrów mikrofonów. Pozwoli to na produkcję lepszych i bardziej niezawodnych urządzeń.
Systemy mikromechaniczne (MEMS) to rodzina technologii rewolucjonizująca między innymi rynek mikrofonów pojemnościowych. Mikrofony wykonywane w technice MEMS korzystają z ogromnego postępu który dokonał się w technologii krzemowej w ciągu ostatnich kilku dekad. Dzisiejsza zaawansowana technologia krzemowa pozwala ona na wykonywanie ekstremalnie małych elementów mechanicznych, które charakteryzują się doskonałą stabilnością i powtarzalnością. Układy oparte o te elementy charakteryzują się niskim zużyciem mocy i bardzo niskim poziomem szumów, chociaż jeszcze niedawno nie było to osiągalne. Produkowane aktualnie mikrofony MEMS charakteryzując się aktualnie niskimi szumami i niskim zużyciem mocy pozwalają na aplikację ich w aparatach słuchowych. Pozwala to stworzyć nową generację innowacyjnych aparatów słuchowych opartych o mikrofony tego typu.
Mechanizm działania mikrofonów MEMS
Podobnie jak mikrofony elektretowe mikrofonu wykonane w technologii MEMS działają na zasadzie zmiany pojemności pod wpływem fali akustycznej. Mikrofon MEMS składa się z membrany zamontowanej na elastycznym zawieszeniu która porusza się ponad umocowaną na sztywno płytką tylną mikrofonu. Wszystko to wykonane jest z jednego fragmentu krzemu. Taka struktura formuje kondensator zmienny. Pomiędzy okładki kondensatora przyłożone jest stałe napięcie. Fala dźwiękowa wnika do wnętrza mikrofonu poprzez otwory w tylnej płycie mikrofonu. Membrana mikrofonu odchyla się proprcjonalnie do ciśnienia fali dźwiękowej, co z kolei zmienia pojemność układu, jak pokazano na poniższej ilustracji. Przy stałym ładunku zmiana pojemności przekłada się na sygnał elektryczny.
Mikrofon tego typu jest wykonywany jest w płytki krzemowej korzystając z podobnych technik jakie wykorzystuje się do produkcji układów scalonych. Odmiennie od techniki wykonywania mikrofonów elektretowych technologi krzemowa jest bardzi precyzyjna i powtarzalna. Każdy mikrofon MEMS wykonany w pojedynczym procesie na jednej płytce krzemowej będzie zachowywał się tak samo jak wszystkie inne produkowane wraz z nim i wszystkie inne produkowane przez wszystkie lata produkowania konkretnego układu.
Technologia wytwarzania układów z krzemu polega na kolejnych procesach depozycji i wytrawiania w ściśle kontrolowanych warunkach. Procesy te prowadzą do powstania różnych kształtów wykonanych z metalu i krzemu. Układu wykonywane w technologii MEMS, na przykład mikrofonu, mają wymiary rzędu mikronów. Na przykład otwory w tylnym panelu mikrofonu MEMS mają średnicę poniżej 10 mikrometrów, a grubość membrany często wynosi około 1 mikrona. Z kolei odległość pomiędzy membraną a tylną ścianą mikrofonu wynosi około kilku mikronów. Na poniższej mikrofotografii wykonanej z wykorzystaniem mikroskopu SEM pokazano typowy przetwornik mikrofonowy wykonany w technice MEMS. Widoczna jest memrana. Kolejna ilustracja pokazuje z kolei przekrój przez środek całego przetwornika. W tym projekcie fale dźwiękowe wnikają do mikrofonu przez wnękę nadole elementu i przechodzą przez otwory w jego podstawie, co pozwala im oddziaływać z membraną układu i zmieniać jej położenie.
Ponieważ geometria takiego układu jest ściśle kontrolowana podczas procesu jego wytwarzania wynikowe parametry mikrofonu są bardzo powtarzalne, jeśli porównuje się je pomiędzy poszczególnymi układami tego samego typu. Co więcej, dzięki wykorzystaniu techniki MEMS możliwa jest produkcja mikrofonów z membranami o średnicy kilku mikronów. Membrany takie są niezwykle lekkie, co przekłada się na ich niską podatność na zakłócenia wynikające z wibracji w porównaniu na przykład z mikrofonami ECM.
Ewolucja, powtarzalność i stabilność
Mikrofony MEMS przeszły długą drogę od ich wprowadzenia na rynek do aktualnej pozycji, gdzie są domyślnym wyborem w wielu aplikacjach potrzebujących przechwytywać dźwięk i wymagających jednocześnie niewielkiego rozmiaru i bardzo dobrych parametrów. Mimo to większość dostępnych na rynku mikrofonów nie nadaje się do aplikacji w aparatach słuchowych, gdzie wymagania są znacznie wyższe - oprócz jeszcze większej minimalizacji elementów wymaga się od nich bardzo niskiego zużycia prądu, odporności na zakłócenia i dobrych parametrów szumowych a także wysokiej niezawodności, stabilności i powtarzalności. Mikrofony MEMS są już, jako technologia, na takim etapie który pozwala na sprostanie tym wymaganiom. Oferowane są wykonane w tej technice mikrofony oferujące niskie zużycie mocy i bardzo niski poziom szumów wyjściowych przy jednoczesnej miniaturyzacji układu.
Ścisła kontrola podczas wytwarzania mikrofonów MEMS sprawia że stabilność oraz rozrzut parametrów mikrofonu jest znacznie lepszy niż klasycznych mikrofonów elektretowych. Poniższy wykres pokazuje typową krzywą czułości mikrofonu MEMS zebraną dla kilku różnych sztuk. Poniej pokazano znormalizowane krzywe czułości kilku różnych mikrofonów elektretowych. Jak wynika z poniższych wykresów mikrofony MEMS są znacznie bardziej powtarzalne - krzywe czułości są niemalże identyczne. Dla porównania widać iż analogiczne krzywe dla mikrofonów ECM znacznie się od siebie różnią, szczególnie dla skrajnych pasm.
Mikrofony MEMS wykazują także doskonałą stabilność swoich parametrów w szerokim zakresie temperatur. Poniższy wykres pokazuje zmianę czułości na wibracje mikrofonu w zakresie od –40°C do +85°C. Czarna krzywa, odpowiadająca mikrofonowi MEMS, wykazuje wariację poniżej 0,5 dB w całym zakresie temperatur, a mikrofony elektretowe wykazują odchyłki aż do 8 dB.
Ostatnio także udało się wyraźnie poprawić parametry mikrofonów MEMS odnoszące się do odporności na zakłócenia pochodzące z linii zasilania w porównaniu do mikrofonów elektretowych. Parametr PSRR niektórych mikrofonów MEMS przekracza aktualnie - 50 dB. Mikrofon ECM współdzieli pin zasilający z pinem wyjścia sygnału audio. Przez taką konstrukcję każde zniekształcenie pojawiające się w napięciu zasilającym jest jednocześnie widoczne w sygnale wyjściowym. Mikrofony MEMS pozbawione ą tej wady i w konsekwencji mogą poszczycić się bardzo wysokim PSRR. Pozwala to na znacznie elastyczniejsze projektowanie systemu. Powala to często na redukcję ilości elementów w systemie, a w konsekwencji na redukcję kosztów urządzenia.
W niewielkich zasilanych bateryjnie urządzeniach, takich jak aparaty słuchowe, każdy mikrowat mocy jest krytyczny. Mikrofon nie może być cykliczne włączany i wyłączany podczas użytkowania aparatu zatem zużycie mocy w stanie aktywnym jest krytyczne. Typowy mikrofon elektretowy zużywa około 35 µA gdy spolaryzowany jest napięciem baterii cynkowej, używanej często do zasilania aparatów słuchowych (to jest od 0,9 V do 1,4 V). Pobór prądu mikrofonu MEMS może być o połowę mniejszy przy takim samym napięciu zasilania. Pozwala do na znaczne wydłużenie działania aparatu słuchowego pomiędzy kolejnymi zmianami baterii.
Najnowsza generacja mikrofonów MEMS charakteryzuje się doskonałymi parametrami szumowymi i bardzo niskim zużyciem mocy. Są to bardzo pożądane przez rynek aparatów słuchowych cechy. Firma Analog Devices zbiera doświadczenia w produkcji układów w technologii MEMS już od ponad 20 lat, dzięki czemu stworzyć może mikrofony dedykowane do zastosowań w tym konkretnie segmencie rynku. typowe wielokierunkowe mikrofony wykonane w technice MEMS przez Analog Devices charakteryzują się ekwiwalentnym szumem wejściowym wynoszącym 27,5 Db SPL, co czyni je przydatnymi do aplikacji w aparatach słuchowych. Poniszy wykres pokazuje wartości szumu ⅓ oktawowego; jest to parametr często stosowany do opisu działania mikrofonów stosowanych w aparatach słuchowych.
Tak dobre parametry osiągane są przy niewielkim poborze prądu przez mikrofon. Proponowany mikrofon pobiera zaledwie 17 µA przy standardowym napięciu zasilania używanym w aparatach słuchowych. Mikrofony te oferowane są w niewielkich obudowach, zajmujących mniej niż 7,5 mm³. Rysunek takiej obudowy pokazano poniżej:
Źródła:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-11/hearing_aids.html
Mikrofon jest przetwornikiem którego zadaniem jest konwersja sygnałów akustycznych na sygnał elektryczny, który może być przetwarzany przez łańcuch sygnałowy wbudowany w aparat słuchowy. Istnieje wiele różnych technologii pozwalających na zrealizowanie przetwornika akustyczno-elektrycznego. W ciągu ostatnich lat mikrofony pojemnościowe są uznawane za najmniejsze i najdokładniejsze tego typu przetworników. W mikrofonach tego typu membrana porusza się pod wpływem zmiennego ciśnienia sygnału akustycznego. Ten ruch powoduje zmianę pojemności, która to wykorzystywana jest do generacji użytecznego sygnału elektrycznego.
Elektretowe mikrofony pojemnościowe (ECM) to technologia najszerzej stosowane w aplikacjach aparatów słuchowych. Mikrofony tego typu w swojej konstrukcji wykorzystują materiał z stałym ładunkiem elektrycznym jako jedną z okładzin kondensatora. Technologia ta jest dzisiaj bardzo popularna w wielu aplikacjach, ale jej podstawy teoretyczne zostały utworzone w latach '60 XX wieku. Parametry tych mikrofonów, powtarzalność urządzeń podczas produkcji i zachowanie w funkcji temperatury i innych czynników atmosferycznych nie są zbyt dobre. Aparaty słuchowe i inne układy gdzie parametry sygnału audio są krytyczne, są potencjalnym polem aplikacji nowych mikrofonów operujących lepsze parametry sygnału audio i wyższą powtarzalność parametrów mikrofonów. Pozwoli to na produkcję lepszych i bardziej niezawodnych urządzeń.
Systemy mikromechaniczne (MEMS) to rodzina technologii rewolucjonizująca między innymi rynek mikrofonów pojemnościowych. Mikrofony wykonywane w technice MEMS korzystają z ogromnego postępu który dokonał się w technologii krzemowej w ciągu ostatnich kilku dekad. Dzisiejsza zaawansowana technologia krzemowa pozwala ona na wykonywanie ekstremalnie małych elementów mechanicznych, które charakteryzują się doskonałą stabilnością i powtarzalnością. Układy oparte o te elementy charakteryzują się niskim zużyciem mocy i bardzo niskim poziomem szumów, chociaż jeszcze niedawno nie było to osiągalne. Produkowane aktualnie mikrofony MEMS charakteryzując się aktualnie niskimi szumami i niskim zużyciem mocy pozwalają na aplikację ich w aparatach słuchowych. Pozwala to stworzyć nową generację innowacyjnych aparatów słuchowych opartych o mikrofony tego typu.
Mechanizm działania mikrofonów MEMS
Podobnie jak mikrofony elektretowe mikrofonu wykonane w technologii MEMS działają na zasadzie zmiany pojemności pod wpływem fali akustycznej. Mikrofon MEMS składa się z membrany zamontowanej na elastycznym zawieszeniu która porusza się ponad umocowaną na sztywno płytką tylną mikrofonu. Wszystko to wykonane jest z jednego fragmentu krzemu. Taka struktura formuje kondensator zmienny. Pomiędzy okładki kondensatora przyłożone jest stałe napięcie. Fala dźwiękowa wnika do wnętrza mikrofonu poprzez otwory w tylnej płycie mikrofonu. Membrana mikrofonu odchyla się proprcjonalnie do ciśnienia fali dźwiękowej, co z kolei zmienia pojemność układu, jak pokazano na poniższej ilustracji. Przy stałym ładunku zmiana pojemności przekłada się na sygnał elektryczny.
Mikrofon tego typu jest wykonywany jest w płytki krzemowej korzystając z podobnych technik jakie wykorzystuje się do produkcji układów scalonych. Odmiennie od techniki wykonywania mikrofonów elektretowych technologi krzemowa jest bardzi precyzyjna i powtarzalna. Każdy mikrofon MEMS wykonany w pojedynczym procesie na jednej płytce krzemowej będzie zachowywał się tak samo jak wszystkie inne produkowane wraz z nim i wszystkie inne produkowane przez wszystkie lata produkowania konkretnego układu.
Technologia wytwarzania układów z krzemu polega na kolejnych procesach depozycji i wytrawiania w ściśle kontrolowanych warunkach. Procesy te prowadzą do powstania różnych kształtów wykonanych z metalu i krzemu. Układu wykonywane w technologii MEMS, na przykład mikrofonu, mają wymiary rzędu mikronów. Na przykład otwory w tylnym panelu mikrofonu MEMS mają średnicę poniżej 10 mikrometrów, a grubość membrany często wynosi około 1 mikrona. Z kolei odległość pomiędzy membraną a tylną ścianą mikrofonu wynosi około kilku mikronów. Na poniższej mikrofotografii wykonanej z wykorzystaniem mikroskopu SEM pokazano typowy przetwornik mikrofonowy wykonany w technice MEMS. Widoczna jest memrana. Kolejna ilustracja pokazuje z kolei przekrój przez środek całego przetwornika. W tym projekcie fale dźwiękowe wnikają do mikrofonu przez wnękę nadole elementu i przechodzą przez otwory w jego podstawie, co pozwala im oddziaływać z membraną układu i zmieniać jej położenie.
Ponieważ geometria takiego układu jest ściśle kontrolowana podczas procesu jego wytwarzania wynikowe parametry mikrofonu są bardzo powtarzalne, jeśli porównuje się je pomiędzy poszczególnymi układami tego samego typu. Co więcej, dzięki wykorzystaniu techniki MEMS możliwa jest produkcja mikrofonów z membranami o średnicy kilku mikronów. Membrany takie są niezwykle lekkie, co przekłada się na ich niską podatność na zakłócenia wynikające z wibracji w porównaniu na przykład z mikrofonami ECM.
Ewolucja, powtarzalność i stabilność
Mikrofony MEMS przeszły długą drogę od ich wprowadzenia na rynek do aktualnej pozycji, gdzie są domyślnym wyborem w wielu aplikacjach potrzebujących przechwytywać dźwięk i wymagających jednocześnie niewielkiego rozmiaru i bardzo dobrych parametrów. Mimo to większość dostępnych na rynku mikrofonów nie nadaje się do aplikacji w aparatach słuchowych, gdzie wymagania są znacznie wyższe - oprócz jeszcze większej minimalizacji elementów wymaga się od nich bardzo niskiego zużycia prądu, odporności na zakłócenia i dobrych parametrów szumowych a także wysokiej niezawodności, stabilności i powtarzalności. Mikrofony MEMS są już, jako technologia, na takim etapie który pozwala na sprostanie tym wymaganiom. Oferowane są wykonane w tej technice mikrofony oferujące niskie zużycie mocy i bardzo niski poziom szumów wyjściowych przy jednoczesnej miniaturyzacji układu.
Ścisła kontrola podczas wytwarzania mikrofonów MEMS sprawia że stabilność oraz rozrzut parametrów mikrofonu jest znacznie lepszy niż klasycznych mikrofonów elektretowych. Poniższy wykres pokazuje typową krzywą czułości mikrofonu MEMS zebraną dla kilku różnych sztuk. Poniej pokazano znormalizowane krzywe czułości kilku różnych mikrofonów elektretowych. Jak wynika z poniższych wykresów mikrofony MEMS są znacznie bardziej powtarzalne - krzywe czułości są niemalże identyczne. Dla porównania widać iż analogiczne krzywe dla mikrofonów ECM znacznie się od siebie różnią, szczególnie dla skrajnych pasm.
Mikrofony MEMS wykazują także doskonałą stabilność swoich parametrów w szerokim zakresie temperatur. Poniższy wykres pokazuje zmianę czułości na wibracje mikrofonu w zakresie od –40°C do +85°C. Czarna krzywa, odpowiadająca mikrofonowi MEMS, wykazuje wariację poniżej 0,5 dB w całym zakresie temperatur, a mikrofony elektretowe wykazują odchyłki aż do 8 dB.
Ostatnio także udało się wyraźnie poprawić parametry mikrofonów MEMS odnoszące się do odporności na zakłócenia pochodzące z linii zasilania w porównaniu do mikrofonów elektretowych. Parametr PSRR niektórych mikrofonów MEMS przekracza aktualnie - 50 dB. Mikrofon ECM współdzieli pin zasilający z pinem wyjścia sygnału audio. Przez taką konstrukcję każde zniekształcenie pojawiające się w napięciu zasilającym jest jednocześnie widoczne w sygnale wyjściowym. Mikrofony MEMS pozbawione ą tej wady i w konsekwencji mogą poszczycić się bardzo wysokim PSRR. Pozwala to na znacznie elastyczniejsze projektowanie systemu. Powala to często na redukcję ilości elementów w systemie, a w konsekwencji na redukcję kosztów urządzenia.
W niewielkich zasilanych bateryjnie urządzeniach, takich jak aparaty słuchowe, każdy mikrowat mocy jest krytyczny. Mikrofon nie może być cykliczne włączany i wyłączany podczas użytkowania aparatu zatem zużycie mocy w stanie aktywnym jest krytyczne. Typowy mikrofon elektretowy zużywa około 35 µA gdy spolaryzowany jest napięciem baterii cynkowej, używanej często do zasilania aparatów słuchowych (to jest od 0,9 V do 1,4 V). Pobór prądu mikrofonu MEMS może być o połowę mniejszy przy takim samym napięciu zasilania. Pozwala do na znaczne wydłużenie działania aparatu słuchowego pomiędzy kolejnymi zmianami baterii.
Najnowsza generacja mikrofonów MEMS charakteryzuje się doskonałymi parametrami szumowymi i bardzo niskim zużyciem mocy. Są to bardzo pożądane przez rynek aparatów słuchowych cechy. Firma Analog Devices zbiera doświadczenia w produkcji układów w technologii MEMS już od ponad 20 lat, dzięki czemu stworzyć może mikrofony dedykowane do zastosowań w tym konkretnie segmencie rynku. typowe wielokierunkowe mikrofony wykonane w technice MEMS przez Analog Devices charakteryzują się ekwiwalentnym szumem wejściowym wynoszącym 27,5 Db SPL, co czyni je przydatnymi do aplikacji w aparatach słuchowych. Poniszy wykres pokazuje wartości szumu ⅓ oktawowego; jest to parametr często stosowany do opisu działania mikrofonów stosowanych w aparatach słuchowych.
Tak dobre parametry osiągane są przy niewielkim poborze prądu przez mikrofon. Proponowany mikrofon pobiera zaledwie 17 µA przy standardowym napięciu zasilania używanym w aparatach słuchowych. Mikrofony te oferowane są w niewielkich obudowach, zajmujących mniej niż 7,5 mm³. Rysunek takiej obudowy pokazano poniżej:
Źródła:
http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-11/hearing_aids.html
Fajne? Ranking DIY
