Au cœur du microphone MEMS : de l’onde sonore au signal numérique

1. Introduction
2. Comment ça marche
3. Structure matérielle
4. Les capacités d'ingénierie acoustique de Bestar
5. Conclusion

Introduction
Pendant des décennies, le microphone à condensateur électret (ECM) a été la référence en matière de reproduction audio grand public. Les ECM sont peu coûteux, simples et fonctionnels. Cependant, ils présentent une limitation fondamentale : fabriqués à la main comme des composants analogiques, ils sont donc sujets à des variations de qualité d'un exemplaire à l'autre, sensibles à la chaleur et difficiles à miniaturiser pour un téléphone portable.
Microphones MEMS Une révolution à jamais. Les MEMS (Systèmes Micro-Électro-Mécaniques) sont des dispositifs qui intègrent des composants mécaniques et des circuits électroniques sur une même puce de silicium, grâce aux mêmes procédés de fabrication de semi-conducteurs que ceux utilisés pour les processeurs et la mémoire. Appliqué à la détection acoustique, cela signifie qu'il est possible de concevoir un microphone fonctionnant moins comme un dispositif électromécanique traditionnel et davantage comme un composant semi-conducteur de précision.
Les avantages pratiques sont considérables. Premièrement, les microphones MEMS offrent une grande homogénéité. Leur fabrication utilise des plaquettes de silicium par photolithographie, ce qui permet un contrôle rigoureux de la sensibilité et de la réponse en fréquence parmi des millions d'unités de microphones résonants. Deuxièmement, leur stabilité thermique est remarquable : les microphones MEMS supportent les températures de refusion des lignes d'assemblage CMS, températures auxquelles les microphones électroniques conventionnels sont détruits. Troisièmement, les boîtiers MEMS mesurent généralement 2,5 × 1,8 mm, voire moins, rendant possibles les smartphones ultra-fins, les écouteurs TWS, les véhicules intelligents et les objets connectés, autant d'éléments emblématiques de l'électronique grand public moderne.
Ces propriétés ont fait des microphones MEMS la norme pour toute application où la qualité audio, la fiabilité de fabrication ou la miniaturisation du dispositif sont prioritaires.

Comment ça marche : Transformer le son en signal électrique
UN Microphone MEMS Son fonctionnement repose sur le principe de variation de la capacité. Pour comprendre ce mécanisme, seules les notions physiques les plus élémentaires sont nécessaires.
Un condensateur est un dispositif de stockage d'énergie électrique qui emmagasine des charges électriques entre deux plaques conductrices séparées par un espace. Sa capacité (la quantité de charges qu'il contient) est inversement proportionnelle à la distance entre les plaques. Lorsque cette distance est modifiée, la capacité l'est également. Toute variation de capacité dans un système chargé induit une variation de tension dans ce système. Cette variation de tension représente le signal électrique.
Dans le cas d'un microphone MEMS, les deux « plaques » sont la membrane et la plaque arrière. La membrane est une fine membrane de silicium flexible. À l'arrière de la plaque arrière se trouve une électrode rigide et perforée, située à quelques microns en retrait. Les ondes sonores (ondes de pression dans l'air) exercent une pression sur la membrane et la font fléchir. Cette flexion modifie l'espace entre la membrane et la plaque arrière, ce qui modifie la capacité et génère un signal de tension correspondant à la pression acoustique transmise.
Le signal généré est extrêmement faible, de l'ordre du microvolt. Il ne peut parcourir une longue distance sans être amplifié et conditionné. C'est le principe de fonctionnement du circuit intégré spécifique (ASIC).
Le circuit intégré spécifique à une application (ASIC) est la seconde puce de silicium présente dans chaque boîtier de microphone MEMS. Il remplit trois fonctions. Premièrement, il fournit une tension de polarisation stable à l'élément capacitif (grâce à une pompe de charge, un circuit interne qui génère une tension de polarisation continue afin d'obtenir un champ électrique constant aux bornes du condensateur). Deuxièmement, il assure la conversion d'impédance, transformant la haute impédance de sortie de l'élément capacitif en une impédance d'entrée adaptée à la chaîne de traitement du signal, pour obtenir un signal à basse impédance. Troisièmement, il amplifie le signal et, dans les versions numériques, le convertit au format d'un signal standard.

Structure matérielle : La micromécanique des semi-conducteurs de qualité
La puce MEMS (puce de détection)
Le piston est l'élément mobile. Il s'agit généralement d'une membrane circulaire ou rectangulaire en silicone, de quelques micromètres d'épaisseur, fixée sur les bords et libre de fléchir en son centre. Sa rigidité et sa masse déterminent la sensibilité et la réponse en fréquence du microphone. Les membranes plus fines et plus grandes offrent une sensibilité accrue, mais une rigidité moindre.
La face arrière de la plaque de support constitue l'électrode fixe. Elle est percée d'une série de trous acoustiques, suffisamment petits pour garantir la rigidité structurelle mais suffisamment grands pour permettre la circulation de l'air, sans résistance visqueuse empêchant le mouvement du diaphragme. L'espace entre le diaphragme et la plaque de support est généralement de 1 à 4 micromètres. Le maintien de cette dimension tout au long du processus de production représente l'un des enjeux de la fabrication des dispositifs acoustiques MEMS.
La puce de traitement du signal (puce ASIC)
Le circuit intégré spécifique (ASIC) réalise la transformation d'impédance, la préamplification et la conversion analogique-numérique. Dans le cas des dispositifs à sortie analogique, il fournit un signal de tension, simple ou différentiel, à gain fixe. Dans le cas des dispositifs à sortie numérique, il intègre un modulateur SD qui convertit le signal analogique en modulation de densité d'impulsions (PDM) ou en flux binaire I²S.
Cavité d'emballage et d'acoustique
Les deux puces (MEMS et ASIC) sont montées dans un boîtier CMS (composants montés en surface), généralement un boîtier LCC à couvercle métallique ou un boîtier LGA en plastique. L'orifice acoustique se situe soit sur la face inférieure du boîtier (orifice inférieur), soit sur la face supérieure.
Les microphones à orifice inférieur alignent l'ouverture acoustique avec un trou percé dans le circuit imprimé situé en dessous et captent le son par le dessous. Les microphones à orifice supérieur, quant à eux, sont orientés vers les composants et captent le son par le dessus. Le choix du type de microphone dépend de la géométrie du boîtier, des exigences d'étanchéité acoustique et de la direction de la source sonore.
Le rapport entre le volume de la cavité avant et celui de la cavité arrière (les espaces de part et d'autre du diaphragme) influe directement sur la sensibilité et la réponse en basses fréquences. Une cavité avant plus grande améliore généralement l'extension dans les basses fréquences.

Capacités d'ingénierie acoustique de Bestar
Le meilleur a développé sa gamme de microphones MEMS grâce à un investissement soutenu dans la recherche acoustique et le contrôle des procédés au niveau des semi-conducteurs. Au-delà de la fourniture de composants, Le meilleur peut également fournir des solutions.

Conclusion
Un microphone MEMS est un dispositif remarquable. Il transforme les variations de pression de l'air (le son) en informations électriques d'une fidélité extraordinaire, et les transmet à l'ordinateur, le tout dans un format plus petit qu'un grain de riz.
Ceci est possible grâce à la convergence de la physique acoustique et de la fabrication des semi-conducteurs. Le principe du condensateur variable est connu depuis plus d'un siècle. La nouveauté réside dans la possibilité de fabriquer ce condensateur, comprenant diaphragme, plaque arrière et entrefer, à un coût n'incluant pas une précision de l'ordre du microcourant.
À plus long terme, on imagine des microphones consommant quelques microwatts, fonctionnant en permanence et ne réveillant un appareil que lors de la réception d'un mot-clé spécifique. Le traitement vocal par microservices basé sur l'IA s'annonce prometteur. Cela requiert des technologies encore plus avancées en matière de conception basse consommation des circuits intégrés spécifiques (ASIC) et de fusion de capteurs. Les microphones MEMS sont parfaitement adaptés à cette transition ; leur efficacité et leur densité d'intégration en font la base naturelle du fonctionnement futur des appareils à commande vocale.
Que vous commandiez un composant standard ou souhaitiez recevoir des conseils sur la configuration d'un système acoustique, veuillez contact Le meilleur, Le meilleur est là pour vous accompagner dans votre projet, de la spécification initiale jusqu'à la mise en production.