Hoe ontwerp je een geluidsniveaumeter op basis van MEMS?
MEMS zijn micro-elektromechanische systemen die zijn vervaardigd met dezelfde materialen (meestal silicium) en etstechnieken die worden gebruikt om micro-elektronische schakelingen te maken. Deze technieken kunnen structuren op micro- en nanoschaal bouwen met hoge precisie en reproduceerbaarheid. MEMS-microfoons zijn erg klein maar zeer gevoelig (ruisvloer doorgaans beter dan 30 dBA). Veel MEMS-microfoons integreren versterking en digitale sampling-chips op apparaatniveau (zelfs op chipniveau), waardoor ze rechtstreeks digitale signalen leveren en de kosten van andere delen van het systeem of instrument verlagen. Bovendien elimineert directe integratie van analoog-naar-digitaal circuits op apparaatniveau elektromagnetische ruis die is gekoppeld aan analoge ingangslijnen in conventionele ontwerpen.
MEMS-microfoons worden vervaardigd met behulp van een streng gecontroleerd micro-etsproces, zodat de individuele kenmerken van elke MEMS-microfoon uiterst consistent zijn. Ze zijn erg lineair (0.1 procent totale harmonische vervorming (HD) of beter bij 1 kHz/94 dB SPL) en hebben een breed dynamisch bereik (doorgaans beter dan 30 dBA tot 120 dBA). Bovendien zijn MEMS-microfoons weinig gevoelig voor temperatuurveranderingen en zijn hun microfoondiafragma's zo klein en dun dat ze meer dan 10 keer minder gevoelig zijn voor trillingen dan elektrostatische microfoons. Bovendien zijn MEMS-microfoons overal verkrijgbaar in de markt voor consumentenelektronica, dus ze zijn ook erg goedkoop. Hun gevoeligheid blijft in de loop van de tijd zeer stabiel en hoeft meestal niet opnieuw te worden gekalibreerd om binnen Type I-specificaties te blijven.
Deze voordelen maken MEMS-microfoons ideaal voor ontwerpen. Natuurlijk hebben MEMS-microfoons een aantal tekortkomingen die moeten worden goedgemaakt als ze een efficiënte geluidsniveaumeter willen ontwerpen.
Omdat MEMS-microfoons digitale signalen leveren op apparaatniveau, is het niet mogelijk om de drukgevoelige holte uit het circuit te verwijderen en de analoge link geïsoleerd te testen. Alle relevante normen voor geluidsniveaumeters zijn geschreven in de jaren zeventig en gingen ervan uit dat het ontwerp van de geluidsniveaumeter bestond uit een enkele microfoonholte die een analoge verwerkingsketen aanstuurde of een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) gevolgd door een digitale verwerkingsketen. Dit vereist het gebruik van elektrische signalen in plaats van microfoons om geluidsniveaumeters te testen. MEMS-microfoons voltooien daarentegen de analoog-naar-digitaal-conversie op apparaatniveau, wat betekent dat hoewel een geluidsniveaumeter de vereiste prestaties levert om aan een norm te voldoen, deze niet kan worden getest met behulp van de methoden die zijn gespecificeerd in die standaard.
Vanwege het zeer kleine formaat van de siliciumstructuren van MEMS-microfoons, kunnen zelfs kleine stofdeeltjes gemakkelijk de microfoonholte binnendringen en deze beschadigen. Extreem hoge statische en dynamische spanningen (meestal boven 160 dB-SPL) kunnen ook schade aan deze kleine siliciumstructuren veroorzaken.
MEMS-microfoons hebben doorgaans scherpe resonanties in het bereik van 10 kHz tot 20 kHz. Correctie voor deze resonantie is nodig zodat de frequentierespons van de geluidsniveaumeter binnen de grenzen van de betreffende norm valt.
