Разработчики уже более 20 лет используют МЭМС-микрофоны в самых разных электронных устройствах: камерах, телефонах, смартфонах, ноутбуках, планшетах и т. д. Причины такой популярности достаточно очевидны: миниатюрность, малое потребление и низкая стоимость. Однако есть у МЭМС-микрофонов и слабые места. Одним из главных их недостатков является низкая устойчивость к воздействию пыли и влаги. Компания Vesper смогла решить эту проблему за счет использования принципиально новой пьезоэлектрической структуры. Новые МЭМС-микрофоны VM1000 обладают рейтингом защиты IP68 и даже способны выдерживать погружение на глубину до 15 метров.
 |
|
| Рис. 1. | VM1000 – пьезоэлектрический МЭМС-икрофон с рейтингом пылевлагозащиты IP68. |
Современные МЭМС-микрофоны отличаются минимальным потреблением, высокой чувствительностью и малыми габаритами. Всего этого удалось достичь за счет применения самых совершенных кремниевых технологий. Тем не менее, не смотря на современный внешний вид, по принципу действия МЭМС-микрофоны абсолютно не отличаются от своих предков – мембранных емкостных микрофонов, которые используются уже более ста лет.
Традиционный емкостной МЭМС-микрофон представляет собой воздушный конденсатор, в качестве одной из обкладок которого выступает жесткое основание (Рис. 2). Вторая обкладка имеет вид подвижной мембраны, выращиваемой с помощью МЭМС-технологий.
 |
|
| Рис. 2. | Конструкция традиционного емкостного МЭМС-микрофона. |
При воздействии звуковых волн мембрана колеблется, вследствие чего емкость системы изменяется (Рис. 3). Как видно, такая конструкция подразумевает ограниченную деформацию мембраны во время колебаний. С одной стороны, это вызвано ограничением гибкости самой структуры. С другой стороны, воздух, проникая под мембрану, создает дополнительное давление, тем самым, противодействуя внешним звуковым волнам. Ограничение колебаний приводит к двум негативным последствием: к снижению чувствительности и к низкой устойчивости к воздействию пыли и влаги.
 |
|
| Рис. 3. | Принцип работы многослойного емкостного МЭМС-микрофона. |
Использование многослойной структуры с воздушными зазорами также приводит к снижению защиты от пыли и влаги (Рис. 3). В течение эксплуатации пространство между неподвижной частью и мембраной забивается пылью, что блокирует колебания. При попадании влаги дело обстоит еще хуже. Пока вода находится в микрофоне, движение мембраны затруднено. При высыхании жидкости начинают действовать силы натяжения, которые деформируют мембрану и притягивают ее к неподвижному основанию. Это может растянуть или даже вывести ее из строя.
 |
|
| Рис. 4. | Причины поломки многослойных емкостных МЭМС-микрофонов. |
Чтобы сохранить работоспособность емкостного МЭМС-датчика традиционного микрофона, приходится идти на ухищрения и создавать различные защитные покрытия и слои. Как результат — чувствительность неизбежно падает, а стоимость изготовления возрастает.
Компания Vesper предлагает свое решение перечисленных проблем в виде принципиально новой пьезоэлектрической конструкции микрофона (Рис. 5). В ней роль мембраны выполняют четыре треугольных пьезоэлектрических лепестка, образующих квадрат. При этом каждый из лепестков закреплен только одной стороной, а другие стороны могут свободно перемещаться.
 |
|
| Рис. 5. | Структура пьезоэлектрического МЭМС-микрофона от Vesper. |
Действие звуковых волн вызывает перемещение пьезоэлектрических лепестков, из-за чего возникает деформация, которая напрямую преобразуется в электрический сигнал (Рис. 6). Не сложно заметить, что предложенная конструкция оказывается однослойной, так как нет необходимости иметь жесткую обкладку, как в традиционном емкостном МЭМС-микрофоне.
 |
|
| Рис. 6. | Принцип работы пьезоэлектрического МЭМС-микрофона. |
Однослойная структура дает несколько преимуществ. Во-первых, в ней отсутствует эффект противодействия звуковой волне, наблюдаемый в емкостном микрофоне при попадании воздуха в полость между обкладками, что позволяет пьезоэлектрическим МЭМС-микрофонам достигать очень высокой звуковой чувствительности. Во-вторых, такая конструкция имеет высокую защиту от воздействия пыли и влаги (Рис. 7). Даже если грязь начнет скапливаться на лепестках, они, тем не менее, будут колебаться, а не заклинят. Первый серийный образец МЭМС-микрофона VM1000 от Vesper имеет уровень пыле- и влагозащиты IP68. По заявлениям разработчиков он способен в течение семи дней выдерживать погружение до 15 метров в соленую или мыльную воду.
 |
|
| Рис. 7. | Накопление грязи и влаги не приводят к неисправности пьезоэлектрических МЭМС-микрофонов. |
VM1000 — первый в мире пьезоэлектрический МЭМС-микрофон. Этот датчик кроме непосредственно акустического сенсора включает в себя цепи нормирования и выходные буферы (Рис. 8). Таким образом, VM1000 предоставляет пользователю готовый аналоговый сигнал для последующей обработки силами цифрового сигнального процессора или микроконтроллера. Чувствительность VM1000 составляет –32 дБ, гармонические искажения 0.1%, а соотношение сигнал-шум SNR64 дБ.
 |
|
| Рис. 8. | Увеличенное изображение пьезоэлектрического МЭМС- микрофона VM1000 от Vesper. |
Ключевыми преимуществами пьезоэлектрических МЭМС-микрофонов VM1000 над своими емкостными коллегами являются:
- высокий рейтинг защиты от пыли и влаги;
- низкое потребление;
- малые габариты.
Остановимся на каждом из пунктов подробнее. Как уже было сказано выше, разработчики из компании Vesper заявляют о возможности работы датчика даже на глубине до 15 метров, однако вряд ли такие экстремальные условия возникнут в потребительской электронике. Гораздо более распространенным «аварийным» случаем, например, для смартфона, станет нечаянно пролитый на него стакан воды. И такие ситуации для VM1000 не являются проблемой, что показала наглядная видеодемонстрация.
Здесь видеоролик вмонтирован: https://youtu.be/g-XMigDK_WA
В этом ролике автор видео последовательно испытывает микрофоны VM1000 «на прочность». Сначала его помещают на дно чашки с водой (Рис. 9). При этом микрофон продолжает работать и фиксирует звук «трения о воду».
 |
|
| Рис. 9. | Тестирование пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000. Опыт 1. |
Во втором эксперименте используется емкость с водой. На одну из ее стенок прикреплен динамик, который воспроизводит музыкальный файл (Рис. 10). Из-за плохой звукопроницаемости воды звука не слышно. Однако как только микрофон VM1000 помещается в воду, мы начинаем слышать музыку.
 |
|
| Рис. 10. | Тестирование пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000. Опыт 2. |
В третьем опыте микрофон VM1000 помещают в банку с газировкой (Рис. 11), при этом отлично слышно шипение пузырьков газа.
 |
|
| Рис. 11. | Тестирование пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000. Опыт 3. |
Кроме впечатляющей живучести нового пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000 можно отметить его низкое потребление, которое составляет 145 мкА и широкий диапазон напряжений питания от 1.8 В. С такими показателями VM1000 без проблем найдет применение в любом мобильном приложении.
Еще одним достоинством VM1000 являются его миниатюрные габариты: микрофон выпускается в 6-выводном корпусе: 3.76 × 2.95 × 1.1 мм (Рис. 12).
 |
|
| Рис. 12. | Габаритные размеры пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000. |
Можно предположить, что основными областями применения для пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000 станут мобильные приложения (смартфоны, планшеты, гарнитура), игровые устройства, системы голосового управления и т. д.
Характеристики пьезоэлектрического МЭМС-микрофона VM1000:
- чувствительность: –38 дБ;
- соотношение сигнал-шум SNR: 64 дБ;
- гармонические искажения THD: 0.1%;
- выходной импеданс: 200 Ом;
- напряжение питания: 1.8…3.6 В;
- типовой ток потребления: 145 мкА;
- диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
- рейтинг защиты: IP68, в течение семи дней выдерживает погружение до 15 метров в соленой или мыльной воде;
- корпус: 6-выводной 3.76 × 2.95 × 1.1 мм.
О компании
 |
Vesper – американская компания, специализирующаяся на разработке пьезоэлектрических МЭМС-микрофонов. Микрофон VM1000 от Vesper стал первым пьезоэлектрическим микрофоном с защитой от пыли и влаги с рейтингом IP68. |
Посмотреть более подробно технические характеристики пьезоэлектрических МЭМС-микрофонов от Vesper
Купить VM1000 на РадиоЛоцман.Цены
