👉 Plus la technologie progresse, plus elle a tendance à devenir petite.
C’est en partie le cas avec les micros, notamment le microphone MEMS.
Mais c’est quoi un microphone MEMS ? 🤔
➡️ Un microphone MEMS est un transducteur électro-acoustique abritant un capteur (MEMS), et un circuit intégré spécifique à l’application (ASIC) dans un boîtier. C’est un diaphragme sensible à la pression, gravé dans une tranche de silicium via un traitement MEMS.
Le capteur convertit la pression acoustique entrante variable, en variations de capacité que l’ASIC transforme en sortie analogique ou numérique. L’onde acoustique pénètre dans le microphone par une entrée sonore située en haut, ou en bas du boîtier.
Les micros MEMS sont basés sur des capsules à électret, et ont généralement des préamplis intégrés et des convertisseurs analogique-numérique.
Les micros MEMS sont également connus sous le nom de puces micro ou micros en silicone.
La microfabrication donne un outil puissant pour le traitement par lots, et la miniaturisation des dispositifs et systèmes électromécaniques à une échelle dimensionnelle, qui n’est pas accessible par les techniques d’usinage conventionnelles.
Qu’est-ce qu’un micro MEMS ?
🎤 Un micro MEMS est un micro conçu à l’aide de techniques de traitement de systèmes micro-électromécaniques.
Ces micros sont gravés dans une plaquette de silicium semi-conducteur.
➡️ Une membrane mobile sensible à la pression (diaphragme) est gravée derrière une plaque perforée fixe. Cette plaque fixe perforée et le diaphragme agissent ensemble, pour former un condensateur (comme la conception d’un micro à condensateur).
🧰 Comme la plupart des technologies MEMS, les micros MEMS sont fabriqués sur des lignes de production, utilisant des tranches de silicium semi-conducteur, et des processus automatisés. Différentes couches de différents matériaux sont empilées sur la plaquette de silicium, puis le matériau est gravé.
💯 Quand la gravure est terminée, l’élément transducteur du micro MEMS a un diaphragme mobile, une plaque fixe mais perforée et le boîtier qui l’entoure.
ASIC
👉 Un ASIC (circuit intégré spécifique à une application) est conçu pour s’adapter à l’élément transducteur d’un microphone MEMS.
Il utilise une pompe de charge pour placer une charge fixe entre la plaque fixe, et la membrane du micro.
De cette manière, le transducteur MEMS ressemble beaucoup à un micro à condensateur à électret (ECM).
Le composant transducteur et l’ASIC sont placés sur une carte de circuit imprimé (PCB), et sont protégés par un capot mécanique.
🕳️ Ce couvercle est conçu avec un petit trou, pour permettre au son d’entrer dans l’élément transducteur du micro.
➡️ Le son doit passer à travers le boîtier de protection, puis à travers la plaque perforée pour pouvoir atteindre le diaphragme MEMS.
Puce semi-conductrice
La plupart des micros MEMS utilisés aujourd’hui contiennent une seconde puce semi-conductrice (circuit intégré), conçue pour fonctionner comme un préamplificateur audio.
Une conception de micro MEMS numérique aura généralement une puce CMOS (métal-oxyde-semi-conducteur) supplémentaire, qui agit comme un convertisseur analogique-numérique.
Ces puces prennent les signaux audio analogiques amplifiés, et les convertissent en données numériques. Ces DAC permettent aux micros MEMS d’être intégrés aux produits numériques.
Codage numérique
Le format le plus courant pour le codage numérique, dans les micros MEMS, est la modulation par impulsions et codage (MIC ou PDM – pulse-code modulation).
Le PDM permet la communication avec une seule ligne de données et une horloge.
Les récepteurs de signaux PDM, comme les micros MEMS, sont peu coûteux et facilement disponibles.
Comment fonctionnent les micros MEMS ?
- Élément transducteur MEMS : comprend le diaphragme/membrane, plaque fixe perforée et boîtier
- Carte de circuit imprimé (PCB) : comprend l’unité de polarisation ASIC, préamplificateur micro et convertisseur analogique-numérique
- Couverture mécanique
👉 Les ondes sonores pénètrent dans le micro MEMS par son couvercle, et traversent le boîtier et la plaque perforés avant d’atteindre le diaphragme/membrane.
➡️ Les ondes sonores provoquent une pression acoustique variable au niveau du diaphragme, et une différence de pression entre l’avant et l’arrière du diaphragme.
Cette différence de pression fait bouger le diaphragme en congruence avec les ondes sonores.
Ce mouvement de diaphragme ne fait rien pour créer un signal de micro, sauf s’il y a une charge entre le diaphragme conducteur et la plaque fixe.
La plaque et le diaphragme fonctionnent essentiellement comme un condensateur, et ont besoin d’une charge pour pouvoir fonctionner correctement. L’ASIC fournit cette charge.
💯 Une fois chargés, la plaque et le diaphragme peuvent produire une tension.
⚡ Comme ils agissent comme un condensateur, tout changement de capacité entraînera un changement de tension inversement proportionnel.
Tension alternative
👉 La capacité est fonction de la distance entre la plaque et le diaphragme, de sorte que lorsque le diaphragme oscille d’avant en arrière, une tension alternative (signal micro) est produite.
📢 Cette tension doit être amplifiée pour pouvoir être utile en tant que signal audio. Un circuit intégré séparé (puce semi-conductrice) est donc inclus dans le PCB, pour amplifier le signal.
Dans un micro MEMS analogique, le signal amplifié sera alors émis par le micro MEMS, et envoyé là où il doit aller.
➡️ Cependant, avec un micro MEMS numérique, il existe un autre processus dans lequel un DAC convertit le signal analogique (généralement via PDM), avant de sortir le signal audio numérique.
À quoi servent les micros MEMS ?
👉 Les micros MEMS sont largement utilisés dans les produits grand public, qui nécessitent une sorte de microphone.
Leur petite taille et leurs DAC en font un ajout facile et peu coûteux, aux appareils qui ont besoin d’un micro, mais pas d’un micro trop précis.
Les microphones MEMS sont souvent impliqués dans la conception de :
- Appareils intelligents
- Smartphones
- Ordinateurs
- Comprimés
- Prothèses auditives
Principaux avantages des micros MEMS
- Omnidirectionnel
- Haute performance
- Plusieurs modes de performances
- Basse consommation énergétique
- Correspondance de sensibilité
- Haute résistance aux chocs et à la température
- Petit facteur de forme
Qu’est-ce que la technologie des systèmes micro-électromécaniques ?
👉 La technologie des systèmes micro-électromécaniques est, d’une manière générale, des éléments mécaniques et électromécaniques miniaturisés, réalisés à l’aide des techniques de microfabrication.
La fabrication de la technologie MEMS implique plusieurs couches de matériau, la structuration par photolithographie, et la gravure pour produire les cavités et les formes nécessaires.
➡️ De cette façon, la technologie MEMS est similaire à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, et est même considérée comme une évolution de la fabrication de semi-conducteurs.
La technologie MEMS est très petite.
Les composants utilisés ont généralement une épaisseur comprise entre 1 et 100 micromètres. La taille d’un seul dispositif MEMS peut varier entre 20 micromètres et 1 millimètre.
Les dispositifs MEMS consistent en une unité centrale de traitement de données (comme un circuit intégré à micropuce).
ll existe également plusieurs autres composants dans le dispositif MEMS, qui interagissent avec l’environnement (comme le microcapteur ou le diaphragme/membrane).
Microphones MEMS VS Micros à condensateur électret (ECM)
👉 Le microphone MEMS conçu est basé sur la conception de la capsule, du microphone à condensateur électret.
Les 2 types de micro incluent les détails de conception suivants :
- Travail sur les principes électrostatiques
- Capsules à base de condensateurs avec une plaque mobile (diaphragme), et une plaque fixe
- Une méthode de charge permanente de la capsule (matériau ASIC ou électret)
➡️ Ces 2 types de micros sont très courants, et généralement utilisés dans l’électronique grand public et professionnelle nécessitant des microphones.
Différences entre les microphones MEMS et les micros à condensateur électret (ECM)
Micros MEMS
- Taille plus petite
- PCB analogique et DAC intégrés dans le boîtier
- Basse impédance (beaucoup mieux pour les environnements bruyants)
- Plus résistant aux vibrations mécaniques
- La technologie des microphones MEMS se développe rapidement
Microphones à condensateur à électret
- De nombreuses conceptions ont des capsules de microphone à électret
- Les connexions ECM comprennent des broches, des fils, des SMT, des pastilles de soudure et des contacts à ressort, ce qui les rend beaucoup plus flexibles pour la conception dans diverses applications
- Meilleure protection contre la poussière et l’humidité
- Les produits ECM sont disponibles avec une directivité intrinsèque (omnidirectionnelle, bidirectionnelle, unidirectionnelle ou même antibruit)
- Plage de tension de fonctionnement plus large, leur permettant de fonctionner avec des rails de tension faiblement régulés
- La technologie Electret s’étend aux microphones de studio, de mesure et de cinéma de qualité professionnelle
Que choisir du coup – MEMS ou ECM ? 🤔
👉 En raison de leur petite taille, de leur immunité au bruit électrique et de leur robustesse mécanique, les microphones MEMS sont de plus en plus prisés.
Cependant, cela ne signifie pas qu’ils sont de facto le meilleur choix pour chaque application.
De nombreuses applications héritées peuvent bénéficier d’une simple modification, ou mise à niveau vers leur ECM actuel.
➡️ Outre leurs excellents indices IP, qui leur permettent de bien fonctionner dans des environnements difficiles, la nature des ECM en fait un excellent choix pour les applications, qui bénéficient de la suppression du bruit ou de l’unidirectionnalité.
Si les contraintes d’espace imposées à une conception sont particulièrement importantes (smartphones, appareils portables, implants d’aides auditives, etc.), ou s’il est probable qu’il soit nécessaire de répartir plusieurs microphones dans un équipement (comme dans un casque VR), alors le micro MEMS est peut être la meilleure option.
Inversement, si des performances élevées ou une résilience aux conditions d’exploitation difficiles sont une priorité, alors l’ECM pourrait s’avérer être le meilleur choix.
Les micros sont-ils analogiques ou numériques ?
👉 Les microphones sont des transducteurs analogiques qui convertissent les ondes sonores (énergie mécanique des ondes), en signaux audio (énergie électrique).
La plupart du temps, les micros émettent une tension alternative (signaux audio analogiques).
➡️ Cependant, il existe sur le marché des micros numériques avec des convertisseurs analogique-numérique intégrés, qui sortent l’audio numérique.
Quelle est la sensibilité d’un micro ?
La sensibilité du microphone peut être considérée de 3 manières :
- Niveau de sensibilité : niveau de sortie du micro à un niveau de pression sonore donné
- Niveau de sensibilité du micro dans le système d’exploitation Windows : le volume/gain du microphone entré dans le système d’exploitation Windows
- Sensibilité du micro : la manière dont un micro réagit aux petites nuances du niveau de pression acoustique. La réponse transitoire a beaucoup à voir avec cette sensibilité