Micrófonos MEMS, el futuro de los audífonos

Impulsado por el envejecimiento de la población y un aumento pronunciado de la pérdida auditiva, el mercado de los audífonos continúa creciendo, pero su llamativo tamaño y la corta duración de la batería alejan a muchas personas. A medida que la pérdida auditiva se vuelve cada vez más común, las personas buscarán audífonos más pequeños, más eficientes y de mayor calidad. Al comienzo de la cadena de señales de los audífonos, los micrófonos detectan las voces y otros sonidos ambientales, por lo que una captura de audio mejorada puede generar un mayor rendimiento y un menor consumo de energía en toda la cadena de señales.

Los micrófonos son transductores que convierten las señales acústicas en señales eléctricas que pueden ser procesadas por la cadena de señales de audio del audífono. Se utilizan muchos tipos diferentes de tecnologías para esta transducción acústica a eléctrica, pero los micrófonos de condensador se han convertido en los más pequeños y precisos. El diafragma de los micrófonos de condensador se mueve en respuesta a una señal acústica. Este movimiento provoca un cambio en la capacitancia, que luego se utiliza para producir una señal eléctrica.

La tecnología de micrófono de condensador electret (ECM) es la más utilizada en audífonos. Los ECM implementan un condensador variable con una placa construida a partir de un material con una carga eléctrica permanente. Los ECM están bien establecidos en la industria auditiva actual, pero la tecnología detrás de estos dispositivos se ha mantenido relativamente sin cambios desde la década de 1960. Su rendimiento, repetibilidad y estabilidad frente a la temperatura y otras condiciones ambientales no son muy buenos. Los audífonos y otras aplicaciones que valoran el alto rendimiento y la consistencia presentan una oportunidad para una nueva tecnología de micrófonos que mejora estas deficiencias, lo que permite a los fabricantes producir dispositivos más confiables y de mayor calidad.

La tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS) está impulsando la próxima revolución en los micrófonos de condensador. Los micrófonos MEMS aprovechan los enormes avances realizados en la tecnología de silicio en las últimas décadas, incluidas las geometrías de fabricación ultrapequeñas, la excelente estabilidad y repetibilidad y el bajo consumo de energía, todos los cuales se han convertido en requisitos intransigentes de la industria del silicio. Hasta ahora, el consumo de energía y los niveles de ruido de los micrófonos MEMS han sido demasiado altos para hacerlos apropiados para su uso en audífonos, pero los nuevos dispositivos que cumplen con estas dos especificaciones clave ahora permiten la próxima ola de innovación en micrófonos para audífonos.

Operación de micrófono MEMS

Al igual que los ECM, los micrófonos MEMS funcionan como micrófonos de condensador. Los micrófonos MEMS consisten en un diafragma suspendido de forma flexible que puede moverse libremente sobre una placa posterior fija, todo fabricado en una oblea de silicio. Esta estructura forma un capacitor variable, con una carga eléctrica fija aplicada entre el diafragma y la placa posterior. Una onda de presión de sonido entrante que pasa a través de los orificios en la placa posterior hace que el diafragma se mueva en proporción a la amplitud de las ondas de compresión y rarefacción. Este movimiento varía la distancia entre el diafragma y la placa posterior, que a su vez varía la capacitancia, como se muestra en la Figura 1. Dada una carga constante, este cambio de capacitancia se convierte en una señal eléctrica.

El elemento del sensor del micrófono está construido sobre una oblea de silicio utilizando procesos de fabricación similares a los de otros circuitos integrados (CI). A diferencia de las tecnologías de fabricación de ECM, los procesos de fabricación de silicio son muy precisos y altamente repetibles. Cada elemento de micrófono MEMS fabricado en una oblea funcionará como cualquier otro elemento en esa oblea, y como cada elemento en diferentes obleas producidos a lo largo de los muchos años de vida útil del producto.

La fabricación de silicio utiliza una serie de procesos de deposición y grabado en un entorno estrictamente controlado para crear la colección de formas en metal y polisilicio que forman un micrófono MEMS. Las geometrías involucradas en la construcción de micrófonos MEMS son del orden de micras (µm). Los orificios de la placa posterior a través de los cuales pasan las ondas sonoras pueden tener menos de 10 µm de diámetro y el grosor del diafragma puede ser del orden de 1 µm. El espacio entre el diafragma y la placa posterior es del orden de varias micras. La Figura 2 muestra una imagen SEM de un elemento transductor de micrófono MEMS típico, mirándolo desde el lado superior (diafragma); La figura 3 muestra la sección transversal por la mitad de este elemento de micrófono. En este diseño, las ondas de sonido ingresan al micrófono a través de la cavidad en la parte inferior del elemento y pasan a través de los orificios de la placa posterior para excitar el diafragma.

Debido a que las geometrías se controlan estrictamente durante el proceso de fabricación, el rendimiento medido de micrófono a micrófono es altamente repetible. Otra ventaja de usar la tecnología MEMS para construir micrófonos es que el diafragma es extremadamente pequeño, lo que resulta en una masa muy baja y hace que un micrófono MEMS sea mucho menos susceptible a la vibración que un ECM, que tiene un diafragma mucho más masivo.

Evolución, repetibilidad y estabilidad

Los micrófonos MEMS se han desarrollado hasta el punto de que ahora son la opción predeterminada para muchas aplicaciones de captura de audio que requieren un tamaño pequeño y un alto rendimiento, pero la mayoría de los micrófonos comerciales no son adecuados para la industria de los audífonos, que requiere piezas significativamente más pequeñas con un menor consumo de energía; mejor rendimiento de ruido; y confiabilidad mejorada, estabilidad ambiental y repetibilidad de dispositivo a dispositivo. La tecnología de micrófonos MEMS ahora se encuentra en la etapa en la que se pueden ofrecer todos estos: paquetes ultrapequeños, consumo de energía muy bajo y ruido de entrada equivalente muy bajo.

Los estrictos controles en el proceso de fabricación de silicio hacen que la estabilidad y la variación del rendimiento de dispositivo a dispositivo de los micrófonos MEMS sean significativamente mejores que las de los ECM. La Figura 4 muestra la respuesta de frecuencia normalizada de varios micrófonos MEMS del mismo modelo; La Figura 5 muestra la respuesta de frecuencia normalizada de varios ECM. La respuesta de frecuencia de cada micrófono MEMS es casi idéntica, mientras que la de los ECM muestra una variación significativa de dispositivo a dispositivo, especialmente en frecuencias altas y bajas.

Los micrófonos MEMS también exhiben una excelente estabilidad en un amplio rango de temperatura. La figura 6 muestra el cambio en la sensibilidad cuando la temperatura ambiente varía entre –40 °C y +85 °C. La línea negra muestra una variación de menos de 0,5 dB en el rango de temperatura del micrófono MEMS, mientras que los ECM muestran una variación de temperatura de hasta 8 dB.

Los diseños de micrófonos MEMS también han mejorado significativamente el rechazo de la fuente de alimentación en comparación con los ECM, con una relación típica de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) mejor que −50 dB. La señal de salida y el voltaje de polarización (alimentación) comparten un pin común en un ECM, por lo que cualquier ondulación en la fuente de alimentación aparece directamente en la señal de salida. El excepcional PSRR de los micrófonos MEMS permite una libertad en el diseño del circuito de audio que no es posible con los ECM. Esto puede resultar en una reducción del número de componentes y del costo del sistema.

En aplicaciones diminutas que funcionan con pilas, como los audífonos, cada microvatio de potencia es fundamental. Los micrófonos no se pueden reiniciar para ahorrar energía cuando el audífono está funcionando, por lo que el consumo de energía activa del micrófono es de vital importancia. Los micrófonos ECM típicos que se usan en los audífonos pueden consumir 35 µA cuando se alimentan con los voltajes típicos de las baterías de Zn-aire (0,9 V–1,4 V). El consumo de corriente de los micrófonos MEMS utilizados en audífonos puede ser menos de la mitad con los mismos voltajes, lo que permite que los audífonos duren más entre cambios de batería.

La última generación de micrófonos MEMS tiene el excelente rendimiento de ruido y potencia requerido por la industria de los audífonos. Analog Devices ha aprovechado más de 20 años de experiencia en tecnología MEMS para construir micrófonos de alto rendimiento que se pueden usar en el mercado de audífonos. Los micrófonos MEMS omnidireccionales típicos especifican un ruido de entrada equivalente (EIN) de 27,5 dB SPL (ancho de banda de 8 kHz con ponderación A), lo que los hace adecuados para aplicaciones de audífonos. El rendimiento de ruido EIN de ⅓ de octava, que normalmente se utiliza para especificar micrófonos para audífonos, es excepcionalmente bueno en frecuencias bajas, como se muestra en la Figura 7. Este nivel de rendimiento de ruido se logra con solo 17 µA de consumo de corriente con los voltajes típicos de las pilas de los audífonos. Los micrófonos están disponibles en paquetes diminutos con menos de 7,5 mm³ volumen total, como se muestra en la Figura 8.

Conclusión

Los nuevos micrófonos MEMS de bajo consumo y alto rendimiento demuestran que serán la próxima generación de tecnología de micrófonos para audífonos. Los micrófonos MEMS pueden competir en rendimiento con muchos ECM de audífonos y pueden superar la tecnología ECM en muchas áreas, como la repetibilidad, la estabilidad, el tamaño, la capacidad de fabricación y el consumo de energía. Los micrófonos MEMS son el futuro de los audífonos, y ese futuro ya está aquí.