Passive Bauelemente MEMS-Mikros blenden Geräuschkulisse aus

Zur Geräuschunterdrückung in Headsets, MP3-Spielern & Co. sind mehrere kleine und gegen Funkstörungen unempfindliche Mikrofone nötig – etwa MEMS-Mikrofone von EPCOS.

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TDK Electronics AG

Mit der Akquisition der MEMS-Mikrofontechnologie von Technitrol im Mai 2009 erschloss sich EPCOS, ein Unternehmen der TDK-EPC Corporation, den Markt für siliziumbasierte Mikrofone mit einer Reihe von Produkten auf der Basis von Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) und als erste Produkte die MEMS-Mikrofone der Serien T4000 und T4010 auf den Markt gebracht.

Das Portfolio wurde nun um die MEMS-Mikrofonserie T4030 mit digitaler Schnittstelle erweitert. Die neue Serie vereint die kompakte Baugröße mit einer Empfindlichkeit von -26 dB FS (Full Scale) und einem Signal-Rauschverhältnis von 60 dBA. Selbst bei einem Schallpegel von 100 dB bleibt der Klirrfaktor unter 1%. Der Frequenzgang zeichnet sich durch hohe Bandbreite und geringe Amplitudenschwankungen aus (Bild 1).

Gegenüber elektromagnetische Interferenzen (EMI) ist das T4030 dank des digitalen PDM-Ausgangs (Pulse Density Modulation) weitgehend unempfindlich. Die Unterdrückung des Rauschens der Versorgungsspannung liegt bei -82 dB FS. Außerdem können zwei Kanäle über eine Signalleitung übertragen werden, wodurch Stereoapplikationen oder solche mit mehreren Mikrofonen im Vergleich zur Analogtechnik sehr viel einfacher zu realisieren sind. Der Versorgungsspannungsbereich liegt zwischen 1,64 V und 2,86 V. Die Stromaufnahme beträgt 650 µA und reduziert sich im Standby-Betrieb auf weniger als 10 µA.

Kompakte Lösung für tragbare Geräte

Das T4030 eignet sich auch für die Geräuschunterdrückung in tragbaren Geräten, bei denen Platz Mangelware ist, z.B. für das elegante Bluetooth-Headset Jabra STONE von GN Netcom, einem dänischen Hersteller von Headset-Lösungen für Mobiltelefone, Callcenter und Büros. Das Jabra STONE ist ein sehr kompaktes Headset, das auf ein perfektes Gleichgewicht zwischen Geräuscheliminierung und natürlich klingender Stimme ausgelegt ist. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von Doppelmikrofonen, welche die akustischen Signale der Stimme aufnehmen und gleichzeitig Hintergrundgeräusche gezielt herausfiltern. Ihre Leistungsstärke und ihre geringen Abmessungen prädestinierten die Mikrofone der Serie T4000 für dieses Gerät.

Laut GN Netcom ist das Jabra STONE ihr fortschrittlichstes Produkt. Es werde die Art und Weise verändern, wie Verbraucher über Bluetooth-Headsets denken. „Durch die innovative Form in Verbindung mit der Geräuschunterdrückungstechnik wird kein Mikrofonarm vor dem Gesicht benötigt. Damit ist es ein ganz neues Konzept”, erläutert Anne R. Rasmussen, Vice President, Mobile Division, bei GN Netcom.

Innovative Geräuschunterdrückung

Geräuschunterdrückung wird sich zunehmend zu einer Standardanforderung für Mid- bis High-end-Mobilfunkgeräte entwickeln. Zwei Geräuschunterdrückungsfunktionen können integriert werden (Bild 2): im Empfangspfad und im Sendepfad. Im Empfangspfad (blau) nimmt Mikrofon 1, das sich in der Nähe des Lautsprechers befindet, Umgebungsgeräusche auf, die dem eingehenden Schall als invertiertes Signal hinzugefügt werden. Das invertierte Geräuschsignal kompensiert die Umgebungsgeräusche. Infolgedessen kann der Anwender seinen Gesprächspartner auch in einer lauten Umgebung besser verstehen.

Im Sendepfad (gelb) nimmt Mikrofon 2, das vom Mund abgewandt ist, Umgebungsgeräusche auf, während Mikrofon 3, das dem Mund zugewandt ist, sowohl Umgebungsgeräusche als auch die Stimme des Sprechers aufnimmt. Wieder werden die Hintergrundgeräusche durch Hinzufügen des invertierten Geräuschsignals kompensiert. So wird der Gesprächspartner des Anrufers weniger von Umgebungsgeräuschen gestört.

Für noch leistungsfähigere und damit komplexere Geräuschunterdrückungssysteme können sogar mehr als drei Mikrofone verwendet werden. Wenn immer mehr Mikrofone in winzige mobile Geräte eingebaut werden, wird deren Größe immer entscheidender.

Bild 3 zeigt, wie zwei winzige T4000-Mikrofone auf der Leiterplatte untergebracht wurden. Gleichzeitig erwarten die Anwender eine immer bessere Tonqualität, wodurch wiederum die Anforderungen an die elektrischen und akustischen Eigenschaften des Mikrofons steigen. In Zukunft müssen Mikrofone ein Signal-Rauschverhältnis von mindestens 62 dB aufweisen, das derzeit in der Regel noch zwischen 55 und 59 dB liegt. Das MEMS-Mikrofon T4020 bietet jetzt schon mit 62 dB ein hervorragendes Signal-Rauschverhältnis, und Produkte mit noch höheren Werten befinden sich in der Entwicklung.

Hochmoderne Gehäuse bieten exzellente Abschirmung

Die Abschirmung gegen Störeinstrahlungen war schon immer ein wichtiges Thema bei SAW-Filtern, die im GHz-Bereich arbeiten. In der Regel sind sie mit die ersten Bauteile im Signalpfad, nachdem das HF-Signal von der Antenne empfangen wurde. Aus diesem Grund ist eine ausgezeichnete Abschirmung unerlässlich, um das sehr schwache Signal zu schützen. Diese Anforderung führte zu der Entwicklung derCSSP-Technologie (Chip-Sized SAW Package), die eine exzellente Abschirmung in einem sehr kleinen Gehäuse bietet und sich in Mobiltelefonen bereits milliardenfach bewährt hat. MEMS-Mikrofone basieren auf der Gehäusetechnologie CSMP (Chip-Sized MEMS Package), die speziell für MEMS angepasst wurde (Bild 4).

Sie profitieren somit von ausgereiften Produktionsprozessen in SAW-Filter-Fertigung bei EPCOS und von mehr als 15 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von MEMS-Mikrofonen. MEMS-Mikrofone sind RoHS-kompatibel und eignen sich für bleifreie SMD-Reflow-Lötprozesse.

Spezieller Tastkopf für gründliche Tests

TDK-EPC nutzt die bewährte Technologie aus der SAW-Fertigung auch für die elektroakustische Endmessung bei MEMS-Mikrofonen. Für die schwierige Aufgabe, sowohl akustische als auch elektrische Eigenschaften zu testen, wurde eigens ein spezieller Tastkopf entwickelt. Ein gründliches Testprogramm prüft alle wesentlichen akustischen und elektrischen Eigenschaften jedes Mikrofons, das die Fertigung verlässt, auf Einhaltung der folgenden Spezifikationen:

• Empfindlichkeit bei 1 kHz und Schmalbandrauschen,

• Breitband-Frequenzgang,

• Breitbandrauschen,

• Stromzuführung,

• Klirrfaktor,

• Stromaufnahme.

Diese lückenlosen Tests gewährleisten ein hohes Maß an Sicherheit. Durch die kompakte Baugröße und die hervorragenden elektrischen Eigenschaften empfehlen sich MEMS-Mikrofone auch für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Audio-Qualität. Dazu zählen unter anderem hochwertige Video- und VoIP-Systeme (Voice over IP) und Telefonkonferenzanlagen. Die Massenproduktion der Serie T4000 hat bereits begonnen, von den Serien T4020 und T4030 sind Entwicklungsmuster verfügbar.

Mehr über die MEMS-Mikrofone

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