Pengenalan kepada tatasusunan mikrofon MEMS
MEMS, atau sistem mekanikal mikro-elektro adalah peranti kecil yang menggabungkan bahagian elektrik dan mekanikal pada tahap mikroskopik dari beberapa mikrometer ke milimeter.Sistem ini menggunakan sensor, penggerak, dan mikroelektronik untuk membuat peranti kecil dan kompleks melalui teknologi mikrofabrik.Di tengah -tengah teknologi MEMS adalah keupayaannya untuk mengintegrasikan unsur -unsur mekanikal seperti gear, mata air, dan engsel dengan litar elektronik pada cip silikon tunggal.Kerana integrasi ini, peranti MEMS dapat merasakan, mengawal, dan menggerakkan skala mikro semasa berkomunikasi pada skala makro.Artikel ini menerangkan peranan utama MEMS dalam pelbagai bidang, dari elektronik pengguna ke penjagaan kesihatan.Peranti MEMS mengubah teknologi tradisional dengan inovasi seperti tatasusunan mikrofon MEMS yang digunakan dalam sistem kereta dan telekom.
Katalog
Rajah 1: Sistem MICROPHONE MEMS (Microelectromechanical)
Peranan MEMS dalam Teknologi Moden
Teknologi MEMS adalah permintaan dalam banyak industri kerana ia fleksibel, kecil, cekap tenaga, dan kos efektif.Inilah cara MEMS digunakan dalam teknologi moden:
Elektronik Pengguna
MEMS berguna dalam elektronik pengguna, membolehkan fungsi seperti penginderaan gerakan dan penstabilan imej dalam peranti seperti telefon pintar, tablet, dan konsol permainan.Peranti MEMS biasa dalam bidang ini termasuk gyroscopes dan accelerometers.
Industri automotif
Dalam sektor automotif, MEMS meningkatkan keselamatan dan fungsi.Mereka digunakan dalam sensor beg udara, sistem pemantauan tekanan tayar, dan sistem kawalan kestabilan kenderaan, menyumbang kepada peningkatan keselamatan dan prestasi.
Penjagaan kesihatan
Teknologi MEMS mengubah peranti perubatan.Contohnya termasuk peranti Lab-on-a-chip untuk diagnostik, sistem penyampaian ubat yang dapat ditanam, dan alat pembedahan canggih yang membolehkan prosedur invasif yang minimum.
Aplikasi perindustrian
Dalam persekitaran perindustrian, sensor MEMS memantau keadaan seperti suhu, tekanan, dan getaran.Pemantauan ini menyokong penyelenggaraan ramalan dan meningkatkan kecekapan sistem.
Telekomunikasi
MEMS meningkatkan sistem komunikasi dengan meningkatkan peranti seperti suis optik dan kapasitor berubah -ubah, baik untuk menguruskan penghalaan isyarat dan prestasi rangkaian.
Pemantauan alam sekitar
Sensor berasaskan MEMS memantau keadaan persekitaran, termasuk kualiti udara dan air, dan mengesan gas berbahaya.Saiz dan kecekapan mereka yang kecil menjadikannya sesuai untuk penempatan di lokasi yang pelbagai dan sering terpencil.
Rajah 2: Peranti MEMS
Komposisi dan operasi tatasusunan mikrofon MEMS
Di bawah ini, kami menyelidiki struktur, kaedah pemprosesan bunyi, dan teknik kombinasi isyarat MEMS mikrofon.
Penerangan Struktur Array
Arus mikrofon MEMS terdiri daripada pelbagai mikrofon yang diposisikan untuk bekerjasama.Setiap mikrofon adalah peranti kecil dengan komponen mekanikal dan elektronik, yang dibuat menggunakan teknik pembuatan semikonduktor.Mikrofon ini menukar bunyi menjadi isyarat elektrik.
Konfigurasi array boleh berbeza -beza, diatur dalam corak seperti formasi linear, bulat, atau planar.Persediaan ini mempengaruhi arah dan sensitiviti array, membolehkannya menangkap bunyi dari arah tertentu sambil mengabaikan orang lain.Output elektrik gabungan dari tatasusunan ini diproses untuk membentuk isyarat audio berkualiti tinggi.
Rajah 3: Sistem array mikrofon MEMS
Bagaimana array memproses bunyi
Pemprosesan bunyi dalam tatasusunan mikrofon MEMS melibatkan menguatkan, melambatkan, dan menapis isyarat dari mikrofon individu.Setiap langkah berfungsi dengan tujuan tertentu:
• Penguatan meningkatkan isyarat lemah dari mikrofon, menjadikannya cukup kuat untuk pemprosesan selanjutnya.
• Menangguhkan menyegerakkan bunyi yang ditangkap oleh mikrofon yang berbeza pada masa yang berlainan kerana pemisahan fizikal mereka.Penyegerakan ini baik untuk penyetempatan bunyi yang tepat dan beamforming.
• Penapisan meningkatkan frekuensi tertentu semasa menekan orang lain, bergantung kepada output yang dikehendaki.Sebagai contoh, ia boleh menghilangkan bunyi frekuensi tinggi atau meningkatkan frekuensi yang penting untuk kejelasan pertuturan.
Rajah 4: Array dan bunyi digital
Proses teknikal menggabungkan isyarat
Menggabungkan isyarat dalam array mikrofon MEMS adalah proses yang canggih yang bertujuan untuk meningkatkan bunyi yang dikehendaki sambil mengurangkan bunyi latar belakang, yang dikenali sebagai beamforming.Beamforming menggunakan susunan mikrofon dan masa pembezaan (kelewatan) gelombang bunyi untuk memfokuskan kepekaan array pada sumber minat yang menarik, meminimumkan gangguan dari bunyi yang tidak diingini.
Proses ini melibatkan pengiraan berat untuk setiap output mikrofon, menentukan berapa banyak isyarat yang harus menyumbang kepada output akhir.Berat menyesuaikan berdasarkan arah gelombang bunyi dan persekitaran akustik.Menggabungkan isyarat berwajaran ini, array mewujudkan tumpuan arah yang meningkatkan penangkapan bunyi dari arah tertentu sambil mengurangkan gangguan.
Teknik pemprosesan isyarat lanjutan seperti penapisan penyesuaian secara dinamik menyesuaikan parameter pemprosesan sebagai tindak balas kepada perubahan dalam persekitaran bunyi.Kesesuaian ini membolehkan tatasusunan mikrofon MEMS untuk mengekalkan prestasi yang optimum dalam pelbagai tetapan, dari studio yang tenang hingga persekitaran luaran yang bising.
Rajah 5: Array mikrofon MEMS
Kepentingan nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR)
Nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR) adalah langkah penting dalam teknologi audio.Ia membandingkan tahap isyarat yang dikehendaki ke tahap bunyi latar belakang, dinyatakan dalam desibel (dB).SNR yang lebih tinggi bermakna isyarat audio yang lebih jelas dengan bunyi yang kurang, manakala SNR yang lebih rendah menunjukkan lebih banyak bunyi latar belakang, yang merendahkan kualiti audio.
SNR digunakan untuk banyak peranti audio, dari telefon pintar dan fon kepala ke peralatan rakaman profesional.Dalam sistem audio berkualiti tinggi, SNR yang tinggi bermakna output audio sangat dekat dengan rakaman asal, dengan bunyi latar belakang yang minimum.Ini berguna dalam rakaman studio kerana bunyi kecil boleh menjejaskan kualiti audio.
Dalam sistem komunikasi, SNR memerlukan kejelasan.Sebagai contoh, dalam persekitaran yang bising, peranti dengan SNR yang lemah akan menghasilkan audio yang tidak jelas, menjadikannya sukar bagi pengguna untuk memahami satu sama lain.Oleh itu, mengekalkan SNR yang tinggi adalah matlamat utama dalam merancang dan membangunkan teknologi audio.
Rajah 6: Nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR)
Bagaimana array mikrofon mems meningkatkan SNR dengan mengurangkan bunyi yang tidak diingini
Beamforming
Array mikrofon MEMS meningkatkan SNR melalui beamforming.Teknik ini memproses isyarat dari pelbagai mikrofon untuk mewujudkan tindak balas yang terfokus dan terarah.Dengan menangkap bunyi dari arah tertentu dan meminimumkan bunyi dari arah lain, beamforming berkesan dalam tetapan di mana sumber bunyi tetap dan diketahui, seperti dalam pembesar suara dan sistem persidangan.
Pembatalan bunyi
Kaedah lain untuk meningkatkan SNR ialah pembatalan bunyi.Dengan membandingkan isyarat audio dari mikrofon yang berbeza dalam array, sistem dapat mengesan dan membatalkan bunyi yang tidak diingini, dengan itu meningkatkan kejelasan isyarat yang dikehendaki.Ciri ini berguna dalam elektronik pengguna yang sering digunakan di ruang awam yang bising.
Penapisan Spatial
Arus mikrofon MEMS juga cemerlang dalam penapisan ruang, yang mengasingkan bunyi dari pelbagai lokasi.Ini bukan sahaja mengurangkan bunyi latar belakang tetapi juga meningkatkan kualiti penangkapan audio secara keseluruhan.Keupayaan sedemikian membuat array MEMS sesuai untuk persekitaran akustik yang kompleks.
Array mikrofon Broadside
Arus mikrofon Broadside disusun dalam satu atau dua dimensi, berserenjang dengan sumber bunyi.Persediaan ini berkesan dalam persekitaran dengan arahan bunyi yang boleh diramal, yang membolehkan sistem memberi tumpuan kepada bunyi dari depan sambil mengabaikan bunyi sisi.Susunan fizikal memastikan bahawa semua mikrofon menerima bunyi dari arah yang dimaksudkan secara serentak, yang membawa kepada penjumlahan isyarat yang membina.Bunyi yang tiba dari arah lain, bagaimanapun, mengalami percanggahan fasa disebabkan oleh masa ketibaan yang berlainan, mengakibatkan penjumlahan yang lebih lemah dan mengurangkan output.Konfigurasi ini sesuai untuk peranti seperti monitor komputer atau skrin TV, meningkatkan pengalaman pendengaran dengan memberi tumpuan kepada bunyi terus dari kawasan paparan.
Rajah 7: Arus mikrofon broadside
Array mikrofon endfire
Endfire microphone arrays kedudukan mikrofon secara linear di sepanjang arah bunyi.Persediaan ini mengambil kesempatan daripada kelewatan masa semulajadi dalam penyebaran bunyi, dengan setiap mikrofon menangkap bunyi pada selang waktu yang sedikit tertunda.Kelewatan ini diselaraskan secara elektronik untuk menyegerakkan isyarat, meningkatkan penjumlahan bunyi yang dikehendaki.Arahan endfire sangat baik pada mengasingkan bunyi dari depan sambil mengurangkan bunyi dari arah lain, termasuk belakang.Tumpuan arah ini menjadikan mereka sesuai untuk peranti pegang tangan seperti mikrofon yang digunakan dalam perbincangan atau persembahan awam, di mana mereka dapat menargetkan sumber bunyi tertentu dan mengasingkannya dari bunyi ambien.
Rajah 8: Array mikrofon broadside vs tatasusunan mikrofon endfire
Prinsip kerja MEMS Microphone Array
MEMS (Sistem Mikro-Elektro-Mekanikal) Array mikrofon adalah peranti lanjutan yang menggabungkan teknologi mikrofabrikasi dengan kejuruteraan bunyi untuk menangkap dan memproses audio dengan ketepatan yang tinggi.Array ini beroperasi berdasarkan beberapa fungsi teras: penangkapan bunyi, pemprosesan isyarat, dan pengurangan bunyi.
Menangkap bunyi melalui pelbagai mikrofon
Array mikrofon MEMS menggunakan pelbagai mikrofon yang diedarkan secara spasial untuk mencuba persekitaran akustik.Setiap mikrofon menukar gelombang bunyi ke dalam isyarat elektrik, yang membolehkan sistem mengumpulkan audio dari pelbagai arah.Persediaan ini meningkatkan ketepatan array dalam mengesan asal dan ciri -ciri bunyi.Pengagihan spatial memerlukan untuk menangkap tugas medan bunyi yang lebih luas seperti penyetempatan bunyi dan beamforming.Beamforming mengarahkan kepekaan array ke arah sumber bunyi tertentu sambil menekan orang lain.
Pemprosesan Isyarat Digital (DSP)
Selepas menangkap bunyi, isyarat elektrik dari setiap mikrofon diproses oleh sistem DSP.Sistem ini adalah pusat pengkomputeran MIS mikrofon MEMS, di mana data mentah dianalisis.Algoritma DSP mensintesis isyarat dari pelbagai mikrofon untuk membuat peta bunyi kohesif.Time-Stamping Setiap isyarat, sistem dapat menentukan arah dan trajektori bunyi melalui ruang dengan tepat.
Rajah 9: Rajah blok pemprosesan isyarat digital
Penapisan bunyi dan peningkatan bunyi
DSP juga meningkatkan kualiti audio dengan menapis bunyi latar belakang dan menjelaskan bunyi yang dikehendaki.Teknik seperti penindasan bunyi, pembatalan echo, dan kawalan keuntungan digunakan untuk meningkatkan kesetiaan audio.Proses ini adalah yang terbaik untuk aplikasi yang memerlukan pembiakan bunyi yang jelas, seperti sistem telekonferensi, alat bantu pendengaran, dan pembantu suara telefon pintar.
Jenis mikrofon MEMS
Rajah 10: Mems mikrofon omnidirectional
Mikrofon omnidirectional
MEMS mikrofon omnidirectional menangkap bunyi seragam dari semua arah.Ini membezakannya daripada mikrofon arah, yang memberi tumpuan kepada bunyi dari arah tertentu.MEMS mikrofon omnidirectional menggunakan diafragma kecil yang dibuat dengan teknologi MEMS.Diafragma ini mengesan gelombang bunyi dari mana -mana arah dan membuat mikrofon sangat mudah disesuaikan.Saiz kecil dan prestasi yang konsisten membolehkan integrasi mudah ke dalam pelbagai peranti.
Mikrofon ini cemerlang dalam tetapan di mana sumber bunyi bergerak atau datang dari pelbagai arah.Sebagai contoh, di bilik persidangan, orang boleh bercakap dari mana -mana arah di sekitar meja.Mikrofon omnidirectional memastikan penangkapan suara yang jelas, meningkatkan komunikasi dan rakaman.
Peranti rumah pintar, seperti pembantu suara yang diaktifkan, mesti mengambil arahan dari mana saja di dalam bilik.Begitu juga, sistem keselamatan bergantung pada mikrofon ini untuk mengesan bunyi yang mencetuskan makluman, yang mendapat manfaat daripada penangkapan bunyi komprehensif mereka.
Rajah 11: mikrofon arah MEMS
Mikrofon arah
Sistem mikro-mekanikal (MEMS) mikrofon arah adalah penting untuk meningkatkan kejelasan audio dengan memberi tumpuan kepada bunyi dari arah tertentu dan meminimumkan bunyi yang tidak diingini.Teknologi ini menggunakan pelbagai mikrofon kecil yang bekerjasama untuk meningkatkan kepekaan ke arah kawasan yang disasarkan.Pendekatan ini berguna dalam telekomunikasi dan alat bantu pendengaran.
Dalam telekomunikasi, mikrofon arah MEMS mengasingkan dan menguatkan bunyi dari arah tertentu, memastikan perbualan yang jelas walaupun bunyi ambien.Ini berfungsi di tempat -tempat yang bising seperti jalan -jalan yang sibuk atau pejabat yang sesak.Memfokuskan pada suara penceramah dan memotong bunyi latar belakang, mikrofon ini menawarkan audio yang lebih jelas dan lebih mudah difahami, meningkatkan pengalaman pengguna.
Bantuan pendengaran lanjutan menggunakan mikrofon ini untuk memberi tumpuan kepada sumber bunyi utama yang dihadapi pengguna, menyesuaikan diri dengan perubahan dalam persekitaran pendengaran untuk mengekalkan prestasi yang optimum.
MICS microphones juga menggabungkan algoritma pemprosesan isyarat yang canggih.Algoritma ini menganalisis bunyi dari pelbagai sudut dan secara selektif menguatkan gelombang bunyi dari arah yang dikehendaki.Teknologi canggih ini bukan sahaja meningkatkan prestasi mikrofon tetapi juga membolehkan integrasi ke dalam peranti yang lebih kecil yang baik untuk alat miniatur seperti telefon pintar dan alat bantu pendengaran.
Kelebihan
Kedua -dua mikrofon MEMS omnidirectional dan arah menawarkan manfaat yang unik untuk situasi yang berbeza.Mikrofon arah cemerlang dalam persekitaran yang bising dengan mengasingkan sumber bunyi utama, meningkatkan prestasi bantuan pendengaran.Mikrofon omnidirectional lebih baik untuk tetapan yang tenang, menangkap bunyi dari pelbagai arah, menjadikannya sesuai untuk sistem pemantauan.Alat pendengaran moden sering menggabungkan kedua -dua jenis, yang membolehkan pelarasan manual atau automatik untuk menyesuaikan diri dengan pelbagai bunyi ambien.
Ciri -ciri mikrofon MEMS digital
Mikrofon MEMS digital menyampaikan data dalam format modulasi denyut denyut ½ kitaran (PDM), yang memerlukan penyegerakan antara input jam (CLK) dan garis output data (data).Barisan data tunggal dikongsi antara dua mikrofon, yang ditetapkan sebagai "kiri" atau "kanan" dengan menetapkan pin input L/R ke VDD atau tanah.Peranti ini dikuasakan oleh bekalan 1.8V atau 3.3V.
Dalam operasi, mikrofon "kiri" menulis data mengenai kelebihan CLK, dan "kanan" di tepi yang jatuh.Sekiranya mikrofon kanan gagal atau tidak hadir, mikrofon kiri terus menulis data mengenai kelebihan dan beralih ke impedans tinggi di tepi yang jatuh.Ini menyebabkan garis data hanya mencerminkan output mikrofon kiri, mengakibatkan ralat kerana DSP menerima data yang sama untuk kedua -dua saluran.Untuk mengelakkan masalah ini, kita memerlukan ujian menyeluruh.Kekerapan jam, dari beberapa ratus kHz hingga 3 MHz, mempengaruhi penggunaan kuasa dan kualiti audio.Jarak kabel pendek membantu mengekalkan integriti isyarat digital dan meminimumkan kerugian disebabkan oleh kabel yang panjang dan tinggi.
Mikrofon MEMS berganda
Menggunakan pelbagai mikrofon MEMS dalam peranti meningkatkan keupayaan menangkap audio mereka.Beberapa mikrofon yang bekerja bersama meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR), untuk mengekalkan kualiti audio yang tinggi dalam persekitaran yang bising seperti kereta atau semasa panggilan mudah alih.Penyediaan multi-mikrofon menyokong ciri-ciri canggih seperti beamforming.
Mengintegrasikan pelbagai mikrofon MEMS juga membawa cabaran ujian dan pengesahan.Jurutera mesti melakukan pengukuran multichannel untuk memastikan penjajaran fasa dan penyegerakan merentasi pelbagai mikrofon.Untuk meningkatkan output audio, algoritma DSP memerlukan ujian yang tepat.Proses yang ketat dan peralatan ujian lanjutan memastikan sistem ini berfungsi dengan pasti dan menghasilkan bunyi berkualiti tinggi.
Kesimpulan
Teknologi MEMS adalah bahagian utama inovasi moden, meningkatkan kualiti dan fungsi banyak sistem.Sebagai contoh, mikrofon MEMS meningkatkan audio dalam elektronik pengguna dan meningkatkan keselamatan dalam kereta.Peranti ini meningkatkan kejelasan isyarat, memberikan bunyi berkualiti tinggi, dan mengurangkan bunyi bising.Penciptaan mikrofon MEMS digital menunjukkan bagaimana teknologi ini berkembang untuk memenuhi keperluan peranti hari ini dengan ketepatan, kecekapan, dan kebolehpercayaan.Memandangkan teknologi MEMS terus maju, ia akan terus menjadi penting dalam menjadikan teknologi semasa dan masa depan lebih baik.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
1. Adakah mikrofon array mikrofon sebenar?
Ya, array mikrofon sememangnya koleksi mikrofon sebenar.Ia terdiri daripada pelbagai unit mikrofon yang diletakkan untuk menangkap bunyi dari arah yang berbeza.Konfigurasi ini membolehkan array untuk melaksanakan tugas pemprosesan audio yang kompleks seperti pengurangan bunyi dan arah, meningkatkan kualiti menangkap bunyi berbanding dengan mikrofon tunggal.
2. Apakah perbezaan antara campuran stereo dan pelbagai mikrofon?
Istilah "campuran stereo" dan "array mikrofon" merujuk kepada pelbagai aspek pengendalian bunyi.Campuran stereo adalah ciri pada kad bunyi komputer yang menggabungkan semua input dan output audio ke dalam trek stereo tunggal, membolehkan anda merakam atau menstrimkan audio gabungan dari pelbagai sumber secara serentak.Sebaliknya, array mikrofon melibatkan pelbagai mikrofon yang bekerja bersama -sama untuk merakam audio, sering digunakan untuk menangkap maklumat bunyi ruang dan meningkatkan kualiti bunyi dengan mengasingkan sumber audio dari bunyi latar belakang.
3. Adakah mikrofon MEMS analog atau digital?
MICROPHONES MEMS (Sistem Microelectromechanical) boleh sama ada analog atau digital.Jenis bergantung kepada format output isyarat audio yang mereka hasilkan.Analog MEMS Microphones output isyarat audio sebagai gelombang analog, yang memerlukan litar tambahan untuk penukaran kepada isyarat digital.Mikrofon MEMS digital, bagaimanapun, termasuk litar bersepadu yang menukar bunyi terus ke dalam isyarat digital, memudahkan sambungan dengan peranti digital.
4. Bagaimana saya menguji mikrofon MEMS saya?
Menguji mikrofon MEMS melibatkan beberapa langkah untuk memastikan ia berfungsi dengan betul:
Pemeriksaan sambungan: Pertama, pastikan mikrofon disambungkan dengan betul ke peranti ujian anda (seperti komputer atau penganalisis).
Pemeriksaan Visual: Periksa sebarang kerosakan fizikal yang boleh menjejaskan prestasi.
Ujian Bunyi: Gunakan sumber bunyi standard atau bercakap ke dalam mikrofon untuk memeriksa kejelasan dan kelantangan.Alat perisian atau peranti ujian audio yang berdedikasi boleh membantu menganalisis kualiti bunyi dan mengesan isu -isu seperti penyimpangan atau bunyi bising.
Ujian Fungsian: Gunakan perisian diagnostik untuk menjalankan ujian fungsional yang menyemak tindak balas mikrofon merentasi frekuensi dan tahap bunyi yang berbeza.
5. Apakah voltan mikrofon MEMS?
Voltan operasi mikrofon MEMS berkisar antara 1.5 hingga 3.6 volt, bergantung kepada model dan pengeluar tertentu.Adalah penting untuk merujuk kepada lembaran data teknikal model mikrofon MEMS tertentu yang anda gunakan untuk mengesahkan voltan operasi yang betul dan memastikan ia sepadan dengan spesifikasi bekalan kuasa aplikasi anda.