Dans cet article de blog de CUI Devices, découvrez comment sélectionner la technologie de microphone adéquate pour votre prochain projet.
Peut-être vous souvenez-nous d'une campagne marketing qui disait "Toujours à votre écoute?" Des dispositifs portables aux assistants domestiques, de plus en plus d'appareils conçus de nos jours doivent "écouter" leur environnement. Équipées d'un microphone adapté, les applications peuvent capter quasiment n'importe quel son de manière précise. Les deux technologies les plus fréquemment utilisées pour la conception de microphones sont les micro-systèmes électromécaniques (MEMS) et les condensateurs électret. Bien que ces deux technologies reposent sur des principes similaires, le choix de l'une ou de l'autre dépend de l'utilisation envisagée. Dans cette perspective, nous allons étudier les principes fondamentaux des microphones MEMS et à condensateur électret, comparer les différences entre les deux technologies et mettre en évidence les avantages de chaque solution.
Principes fondamentaux des microphones MEMS
Les microphones MEMS intègrent un composant MEMS (micro-système électromécanique) installé sur une carte de circuit imprimé (PCB) et protégé par un cache mécanique. Un petit trou est réalisé dans le boîtier pour permettre au son d'atteindre le microphone. La conception est dite haute si le trou se situe sur le cache supérieur ou basse si le trou se situe au niveau de la carte de circuit imprimé. Le composant MEMS est souvent pourvu d'un diaphragme mécanique et d'une structure de montage créée sur une matrice de semiconducteur.
Architecture type d'un microphone MEMS
Le diaphragme MEMS forme un condensateur et les onde de pression sonore entraînent le mouvement du diaphragme. Les microphones MEMS contiennent généralement une deuxième matrice de semiconducteur qui fait office de préamplificateur audio et convertit les changements de capacitance du MEMS en signal électrique. La sortie du préamplificateur audio est transmise à l'utilisateur si un signal de sortie analogique est souhaité. Dans ce cas, un convertisseur analogique-numérique est inclus sur la même matrice que le préamplificateur audio. Un format couramment utilisé pour le codage numérique des microphones MEMS est la modulation de densité d'impulsion qui permet la communication avec seulement une horloge et une ligne de données. Le décodage du signal numérique par le récepteur est facilité grâce au codage sur un bit des données.
À gauche : schéma d'une application utilisant un microphone MEMS analogique À droite : schéma d'une application utilisant un microphone MEMS numérique
Principes fondamentaux des microphones à condensateur électret
Les microphones à condensateur électret (ECM) sont conçus selon le schéma ci-dessous.
Architecture type d'un microphone à condensateur électret
Un diaphragme à électret (matériau présentant une charge de surface fixe) est disposé à proximité d'une plaque conductrice. Comme pour les microphones MEMS, un condensateur utilisant la lame d'air en tant que diélectrique est formé. La tension qui traverse le condensateur varie lorsque la valeur de capacitance change sous l'effet des ondes de pression sonore qui font bouger le diaphragme à électret (ΔV = Q/ ΔC). Les variations de tension du condensateur sont amplifiées et amorties par un JFET situé dans le boîtier du microphone. Le JFET utilise généralement une configuration de source commune, tandis qu'une résistance de charge externe et un condensateur de blocage c.c. sont utilisés dans le circuit d'application externe.
Schéma de l'application ECM
Différences entre les technologies de microphone
De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'un microphone ECM ou MEMS. La part de marché des microphones MEMS continue d'augmenter à un rythme rapide en raison des nombreux avantages procurés par cette technologie plus récente. Par exemple, pour les applications soumises à des contraintes d'espace, les petits formats proposés pour les microphones MEMS peuvent être intéressants. De plus, il est possible de réduire la surface occupée sur les cartes à circuit imprimé ainsi que le coût par composant grâce aux circuits analogiques et numériques intégrés à l'architecture des microphones MEMS. L'impédance de sortie relativement faible des microphones MEMS analogiques et les sorties des microphones MEMS numériques sont idéales pour les applications utilisées dans des environnements soumis au bruit électrique. Dans les environnements confrontés à de fortes vibrations, l'utilisation de la technologie des microphones MEMS peut réduire le niveau de bruit indésirable généré par les vibrations mécaniques. En outre, la technologie de fabrication des semi-conducteurs et l'inclusion de préamplificateurs audio permettent de fabriquer des microphones MEMS présentant des caractéristiques très proches et de bonnes performances en termes de stabilité thermique. Ces caractéristiques de performance sont particulièrement bénéfiques en cas d'utilisation de microphones MEMS dans des applications matricielles. Pendant leur fabrication, les microphones MEMS peuvent être facilement manipulés par des machines pick and place et tolèrent les profils de température de la soudure par refusion.
Bien que les microphones MEMS gagnent rapidement en popularité, dans certaines applications, les microphones à condensateur électret sont à privilégier. De nombreuses conceptions propriétaires utilisent des ECM et, par conséquent, si le projet est une simple mise à niveau d'une conception existante, il peut être préférable de continuer à utiliser un ECM. Les options de connexion d'un ECM à un circuit d'application comprennent des broches, des câbles, des SMT, des pastilles de soudure et des contacts à ressort, ce qui offre davantage de flexibilité de conception aux ingénieurs. Si la protection contre la poussière et l'humidité est un facteur important, il est facile de trouver des offres ECM affichant des indices de protection IP élevés en raison de leur taille physique supérieure. Pour les projets exigeant une sensibilité spatiale non uniforme, des produits ECM présentant une directivité intrinsèque, qu'elle soit unidirectionnelle ou à réduction de bruit, sont disponibles. De plus, la vaste plage de tensions de fonctionnement des EMC en fait la solution privilégiée pour les produits équipés de rails de tension à la réglementation moins stricte.
Sélection de la technologie de microphone adaptée à votre projet
La décision d'utiliser un microphone à condensateur électret ou MEMS dépend des exigences de votre projet. Bien que les microphones MEMS continuent de gagner en popularité grâce à leurs nombreux avantages inhérents, les ECM demeurent utilisés dans une grande variété d'applications en raison de leurs options de format et de directivité plus nombreuses. Quelle que soit la technologie retenue, CUI Devices continuera de développer et de proposer une vaste gamme de microphones pour permettre à votre projet d'entendre les sons requis.