MEMS oder ECM: Mikrofontechnologien im Vergleich

Von Bruce Rose, CUI Inc.

Von Wearables bis zu digitalen Assistenten – eine wachsende Zahl von Geräten nutzt Mikrofone, um nahezu jedes Geräusch präzise zu erfassen. Zwei der im Mikrofonbau am häufigsten eingesetzten Technologien sind MEMS-Mikrofone (mikro-elektromechanische Mikrofone) und Elektret-Kondensatormikrofone (ECM). Für beide gibt es zahlreiche Anwendungsfälle. Im vorliegenden Artikel werden die Grundlagen beider Technologien untersucht, ihre Unterschiede verglichen und die Vorteile beider Lösungen erläutert.

MEMS-Mikrofone

Bei MEMS-Mikrofonen befindet sich auf einer Platine eine MEMS-Komponente, die durch eine mechanische Abdeckung geschützt ist. Das Gehäuse hat eine kleine Öffnung, durch die Schall in das Gerät eindringen kann. Die Positionierung dieser Öffnung definiert, ob das Mikrofon als nach oben geöffnet (die Öffnung befindet sich in der oberen Abdeckung) oder als nach unten geöffnet (die Öffnung befindet sich in der Platine) klassifiziert ist. MEMS-Komponenten haben häufig eine mechanische Membran und eine auf einen Halbleiterchip aufgebrachte Trägerstruktur.

Abbildung einer typischen MEMS-Mikrofonkonstruktion mit obenliegendem Port

Abbildung 1: Typische MEMS-Mikrofonkonstruktion mit obenliegendem Port (Bildquelle: CUI Inc.)

Die MEMS-Membran bildet einen Kondensator, und die Schalldruckwellen bewirken, dass sich die Membran bewegt. In der Regel enthalten MEMS-Mikrofone einen zweiten Halbleiterchip, der als Audio-Vorverstärker fungiert und die sich ändernde Kapazität des MEMS in ein elektrisches Signal umwandelt. Wenn ein analoges Ausgangssignal bevorzugt wird, kann dem Nutzer der Ausgang des Audio-Vorverstärkers bereitgestellt werden. Wenn jedoch ein digitales Ausgangssignal benötigt wird, befindet sich auf demselben Chip wie der Audio-Vorverstärker zusätzlich ein Analog/Digital-Wandler (ADC). Für die digitale Kodierung wird in MEMS-Mikrofonen als herkömmliches Format die Pulsdichtemodulation (PDM) genutzt. Sie macht es möglich, dass die Kommunikation mit nur einer Datenleitung und einem Takt stattfindet. Darüber hinaus wird die Dekodierung des digitalen Signals am Empfänger vereinfacht – dank der Ein-Bit-Kodierung der Daten.

Anwendungsschaltbild analoger und digitaler MEMS-Mikrofone

Abbildung 2: Links: Anwendungsschaltbild eines analogen MEMS-Mikrofons. Rechts: Anwendungsschaltbild eines digitalen MEMS-Mikrofons (Bildquelle: CUI Inc.)

Elektret-Kondensatormikrofone

Elektret-Kondensatormikrofone (ECM) sind wie in Abbildung 3 aufgebaut.

Bild vom grundlegenden Aufbau eines Elektret-Kondensatormikrofons

Abbildung 3: Grundlegender Aufbau eines Elektret-Kondensatormikrofons (Bildquelle: CUI Inc.)

Eine Elektret-Membran in einem ECM ist ein Material mit einer festen Oberflächenladung, das nahe an einer leitenden Platte positioniert wird. Wie beim MEMS-Mikrofon wird mittels des Luftspalts, der das Dielektrikum bildet, ein Kondensator erzeugt. Die Schalldruckwellen, die die Elektret-Membran bewegen, bewirken eine Änderung des Kapazitätwertes. Dadurch variiert die Spannung über dem Kondensator mit ΔV = Q/ΔC (Q = eine feste Ladung). Diese Schwankungen in der Kondensatorspannung werden von einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) im Mikrofongehäuse verstärkt und gepuffert. Der JFET wird in der Regel in einer quellgleichen Konfiguration mit einem externen Belastungswiderstand und Gleichspannungs-Sperrkondensator in einer externen Anwendungsschaltung entwickelt.

Anwendungsschaltbild eines ECM

Abbildung 4: Anwendungsschaltbild eines ECM (Bildquelle: CUI Inc.)

Vorteile und Kompromisse

Bei der Wahl zwischen einem ECM- oder MEMS-Mikrofon sind viele Aspekte zu berücksichtigen. Die vielen Vorteile der neueren MEMS-Mikrofontechnologie spiegeln sich in ihrem stark wachsenden Marktanteil wider. Sucht man nach Lösungen für Anwendungen mit Platzbeschränkungen, dann sprechen beispielsweise die kleinen Gehäusegrößen für den Einsatz von MEMS-Mikrofonen. Dazu kommen noch die kleinere Platinenfläche und die niedrigen Komponentenkosten, die durch Einbindung analoger und digitaler Schaltungen in die MEMS-Mikrofonbaugruppe erreicht werden.

Darüber hinaus ergibt sich aus der vergleichsweise niedrigen Ausgangsimpedanz analoger MEMS-Mikrofone – zusammen mit den Ausgängen digitaler MEMS-Mikrofone – eine ideale Eignung für Anwendungen in Umgebungen mit vielen elektrischen Störgeräuschen. Als weiterer Aspekt wäre zu nennen, dass der Einsatz der MEMS-Mikrofontechnologie in vibrationsreichen Umgebungen die unerwünschten Geräusche reduzieren kann, die durch mechanische Vibrationen verursacht werden. Halbleitertechnik im Verbund mit Audio-Vorverstärkern macht es zudem möglich, MEMS-Mikrofone mit präzise abgestimmten, temperaturstabilen Leistungsmerkmalen zu produzieren, wodurch sie sich gut für Anwendungen mit Arrays aus mehreren Mikrofonen eignen. Während des Herstellungsprozesses werden MEMS-Mikrofone praktisch nicht von den Temperaturprofilen der Reflow-Lötung beeinflusst.

Trotz der wachsenden Verbreitung von MEMS-Mikrofonen bleiben Elektret-Kondensatormikrofone für eine Vielzahl von Anwendungen eine gangbare Option. Bei vielen älteren Konstruktionen, die mit ECMs arbeiteten, ist die weitere Nutzung von ECMs für einfache Aufrüstmaßnahmen mitunter die einfachste Lösung für den Entwickler. Zudem bieten ECMs eine größere Installationsflexibilität, weil Drähte, Stifte, Lötpads, SMT und Federkontakte als Terminierungsarten zur Verfügung stehen. Wenn Staub und Feuchtigkeit ein Problem sind, lassen sich bedingt durch ihre größeren Abmessungen problemlos ECM-Lösungen mit hoher Schutzart (IP) beschaffen. Für Anwendungen, die eine inhomogene räumliche Empfindlichkeit erfordern, gibt es zudem ECM-Produkte mit unidirektionaler oder geräuschunterdrückender Richtwirkung. Ihr großer Betriebsspannungsbereich kann zudem bei Anwendungen mit schwach geregelten Spannungsschienen ideal sein.

Auswahl des richtigen Mikrofons

Welche Mikrofontechnologie Sie wählen, hängt letztlich von den Randbedingungen Ihres Projekts ab. Dass die Beliebtheit von MEMS-Mikrofonen aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wächst, ist kein Geheimnis. Bei vielen Anwendungen bleiben ECMs aufgrund ihrer Optionsvielfalt im Hinblick auf Gehäuse und Direktionalität dennoch eine Alternative. Abgesehen von den Wahlmöglichkeiten bei der Technologie entwickelt der Elektronikbauteile-Hersteller CUI auch weiterhin ein breites Sortiment von Mikrofonprodukten, die Ihnen im Audiobereich eine größere Flexibilität geben.

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Über den Autor

Bruce Rose, CUI Inc.

Der Artikel wurde von Bruce Rose, Principal Applications Engineer, CUI Inc, verfasst.