Optische statt kapazitive Auslese MEMS-Mikrofon: Wenn Licht die Bewegung der Membran misst

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Sehr leise Geräusche erfassen und gleichzeitig Schalldruckpegel bis 146 dB SPL verkraften: Sensibel will mit optischer statt kapazitiver Auslese den Dynamikumfang von MEMS-Mikrofonen vergrößern. Der neue SBM140B erreicht laut Hersteller 136 dB Dynamikumfang und soll Anfang 2027 in Serie gehen.

MEMS-Mikrofone stecken heute in Smartphones, Fahrzeugen, Wearables und zahlreichen anderen elektronischen Geräten. Die meisten dieser Sensoren arbeiten nach einem kapazitiven Prinzip. Das bedeutet, dass eine bewegliche Membran und eine feststehende Gegenelektrode einen Kondensator bilden. Trifft dann Schall auf die Membran, verändert sich ihr Abstand zur Gegenelektrode und damit die messbare Kapazität.

Das Verfahren ist etabliert und ermöglicht kleine und kostengünstige Mikrofone. Allerdings kann die Lösung nicht alles, denn einerseits sollen bereits kleinste Bewegungen der Membran zuverlässig detektiert werden, damit leise Schallereignisse nicht im Eigenrauschen des Mikrofons verschwinden. Andererseits soll die Membran auch bei hohen Schalldrücken ausreichend Bewegungsfreiheit haben und das Mikrofon nicht übersteuern.

Der norwegische Sensorentwickler Sensibel setzt deshalb bei seinen MEMS-Mikrofonen auf ein anderes Ausleseverfahren. Beim neuen SBM140B wird die Bewegung der Membran optisch statt kapazitiv erfasst. Der Hersteller gibt für das Mikrofon einen Signal-Rausch-Abstand von 84 dBA und einen Acoustic Overload Point von 146 dB SPL an. Daraus ergibt sich ein Dynamikumfang von 136 dB.

Ein Laser ersetzt die kapazitive Auslese

Auch im optischen MEMS-Mikrofon versetzt Schall zunächst eine Siliziummembran in Bewegung. Der entscheidende Unterschied liegt darin, wie diese Bewegung gemessen wird. Die optische Detektion von Sensibel arbeitet mit einem VCSEL, einem Photodetektor und einem diffraktiven optischen Element. Das ausgesendete Licht erzeugt ein Beugungsmuster, das sich abhängig von der Bewegung der Membran verändert. Der Photodetektor erfasst diese Änderung und ermöglicht damit die Bestimmung der Membranauslenkung.

Damit entfällt die für die kapazitive Detektion erforderliche Kombination aus Membran und unmittelbar benachbarter Backplate. Nach Angaben von Sensibel ermöglicht die optische Messung dadurch eine größere Bewegungsfreiheit der Membran und zugleich eine präzise Erfassung kleiner Auslenkungen. Bedeutet also, dass ein Mikrofon sowohl sehr schwache als auch sehr starke Schallereignisse mit derselben Sensorkonfiguration erfassen kann.

Von 10 dBA Eigenrauschen bis 146 dB SPL

Am unteren Ende des Messbereichs gibt Sensibel für den SBM140B ein äquivalentes Eingangsrauschen von 10 dBA an. Daraus resultiert der Signal-Rausch-Abstand von 84 dBA. Gegenüber dem bereits verfügbaren optischen SBM100B verbessert der Hersteller damit den SNR um 4 dB; dessen äquivalentes Eingangsrauschen beträgt 14 dBA.

Am anderen Ende des Bereichs liegt der Acoustic Overload Point des neuen Sensors bei 146 dB SPL. Dieser Wert beschreibt den Schalldruckpegel, bei dem die Verzerrungen einen festgelegten Grenzwert erreichen. Sensibel spezifiziert die 146 dB SPL bei 1 kHz und 10 Prozent THD. Aus dem niedrigen Eigenrauschen und dem hohen Overload Point errechnet der Hersteller für den SBM140B einen Dynamikumfang von 136 dB. Die Signalausgabe erfolgt digital mit 24 Bit.

Damit zielt der Sensor weniger auf Anwendungen, bei denen lediglich Sprache in normaler Umgebung aufgenommen werden soll. Interessant wird der große Dynamikumfang dort, wo sehr unterschiedliche Schallpegel mit demselben System erfasst werden müssen, etwa akustische Kameras und Beamforming-Arrays, Robotik, akustische Drohnendetektion sowie Mess- und Instrumentierungstechnik.

Gerade bei Mikrofonarrays spielt das Eigenrauschen der einzelnen Sensoren eine Rolle. Sollen beispielsweise schwache oder weit entfernte Schallquellen lokalisiert werden, muss das Nutzsignal möglichst deutlich vom Rauschen der Mikrofone getrennt werden können. Gleichzeitig können solche Systeme in industriellen Umgebungen erheblich höheren Schalldrücken ausgesetzt sein.

Ähnliches gilt für die akustische Zustandsüberwachung von Maschinen. Ein Sensor kann dort einerseits schwache charakteristische Geräusche erfassen müssen, andererseits aber unmittelbar neben lauten Maschinen betrieben werden. Ein großer Dynamikumfang reduziert die Notwendigkeit, unterschiedliche Mikrofone für unterschiedliche Pegelbereiche einzusetzen.

Optische Auslese erhöht die Komplexität

Die höheren akustischen Leistungsdaten kommen allerdings mit einer aufwendigeren Sensorarchitektur. Ein konventionelles kapazitives MEMS-Mikrofon kombiniert MEMS-Struktur und Auswerteelektronik. Wie erwähnt kommt bei der Lösung von Sensibel zusätzlich ein optisches Detektionssystem mit VCSEL, Photodetektor und einem diffraktivem optischen Element hinzu.

Für den breiten Einsatz sind auch die Leistungsaufnahme, der Bauraum, die Fertigungskosten und die Skalierbarkeit des Herstellungsprozesses entscheidend. Für den neuen SBM140B haben die Ingenieure von Sensibel bislang noch nicht alle entsprechenden Produktdaten veröffentlicht. Ein Blick auf die Daten des bereits verfügbaren Vorgängers mit der Bezeichnung SBM100B zeigt, dass die Lösung bei einer Versorgungsspannung von 1,8 V in einem 6 mm × 3,8 mm × 2,47 mm großen SMD-Gehäuse sitzt. Der ist kommerziell verfügbar und wird nach Unternehmensangaben bereits in Kundenanwendungen eingesetzt.

Der neue SBM140B befindet sich dagegen noch vor dem Serienhochlauf. Erste Muster wurden laut Sensibel an ausgewählte Kunden ausgeliefert. Der Produktionsstart ist für das erste Quartal 2027 vorgesehen. (sb)

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