MEMS-Mikrofone

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MEMS-Mikrofone (Bild: Infineon)


Bei MEMS-Mikrofonen handelt es sich um miniaturisierte (Micro Electro Mechanical System), in SMD-Technik ausgeführte Mikrofone zum direkten Einsatz auf elektronischen Platinen.

MEMS-Mikrofone haben Elektretmikrofone aus Consumerelektronik mittlerweile fast vollständig verdrängt. Es gibt Modelle von diversen Herstellern, u.a. Invensense, ST, Knowles und Infineon. Die Vorteile liegen vor allem in den kleinen Abmessungen und der einfachen industriellen Verarbeitung, da die Mikrofone in einem normalen Reflow-Lötprozess bestückt werden können. MEMS-Mikrofone sind auch unempfindlicher gegenüber hohen Temperaturen, während Elektretmikrofone z.B. bei zu heißem Löten an Empfindlichkeit verlieren. Allgemein haben MEMS-Mikrofone engere Toleranzbereiche (+- 1 dB INMP522), was insbesondere bei der Verwendung in Mikrofonarrays von Vorteil ist.

Während die Bestückung im industriellen Maßstab relativ einfach und günstig ist, wird die Verwendung von MEMS-Mikrofonen für Prototypen oder Hobbyprojekte durch die kleinen Abmessungen und die Bauweise mit Lötpads auf der Unterseite (LGA – Land Grid Array) erschwert. Verschiedene Hersteller bieten kleine Platinen mit bereits aufgelöteten Mikrofonen an, mit denen sich diese Schwierigkeit umgehen lässt. Einige Bezugsquellen sind im Folgenden aufgeführt:

  • Diverse Modelle von verschiedenen Anbietern: tindie (~10€)
  • INMP401: Sparkfun (~10€)
  • Für fast alle Invensense-Mikrofone direkt von Invensense (~80€)

Mit Matrix Voice ist ein interessantes Crowdfunding-Projekt für ein MEMS-Mikrofonarray in Arbeit, welches 7 auf einer kreisrunden Platine angeordnete Mikrofone mit einem FPGA verbindet. Die Funding-Phase ist abgeschlossen und die Fertigstellung ist für Mai 2017 geplant.

Interface

MEMS-Mikrofone benötigen in der Regel eine Spannungsversorgung zwischen ca. 1.6 und 3.6V. Neben Typen mit analogen Ausgängen sind Mikrofone mit integriertem A/D-Wandler weit verbreitet, mit verschiedenen Varianten von digitalen Ausgängen. Ein großer Vorteil des integrierten Wandlers ist, dass aufwendiges Layout eines Analogteils oder zusätzliche Bauteile vermieden werden können, und die Mikrofone z.B. direkt an einen Mikrocontroller angebunden werden können.

Die am weitesten verbreitete digitale Schnittstelle ist PDM (Pulse Density Modulation), bei der das Signal eines 1-Bit Delta-Sigma-Wandlers direkt ausgegeben wird. Durch die Verwendung eines analogen Filters kann daraus direkt ein analoges Spannungssignal zur direkten Ausgabe auf Lautsprechern gewonnen werden. Um aber aus diesem Signal ein übliches PCM-Signal zur Speicherung oder Weiterverarbeitung zu gewinnen, muss die Abtastrate des Signals durch Filterung / Dezimation reduziert werden, z.B. auf 48 kHz bei 16 Bit pro Abtastwert. Während das mit vielen DSPs recht problemlos machbar ist, ist PDM für die Anbindung an Mikrocontroller oft problematisch, da keine PDM-tauglichen Eingänge zur Verfügung stehen und auch die Resourcen nicht vorhanden sind, um die Abtastratenreduzierung (Downsampling) und die aufwendigen Filteroperationen zu realisieren. Um Mikrofonen mit PDM-Ausgang dennoch verwenden zu können, bietet sich der ADAU7002 als externer Konverterbaustein von PDM zu I2S oder TDM an.

Weiterhin gibt es Mikrofone mit digitalem I2S-Ausgang. Da I2S ein Datenformat ist, das zwei Kanäle unterstützt, können darüber auch zwei Mikrofone an eine Datenleitung angeschlossen werden. Viele Mikrocontroller, z.B. STM32 oder SAM4S mit ARM Cortex-Kern, haben mittlerweile I2S-kompatible Eingänge, die die Anbindung solcher Mikrofone möglich machen.

Schließlich gibt es mit dem ICS-52000 ein Mikrofon mit TDM-Ausgang (Time Division Multiplex). Hier können ähnlich wie bei I2S mehrere Mikrofone an einer Datenleitung angebunden werden, allerdings bis zu 16 Stück – ideal für Mikrofonarrays.