Wie entwirft man einen Schallpegelmesser auf Basis von MEMS?
MEMS sind mikroelektromechanische Systeme, die aus denselben Materialien (normalerweise Silizium) und denselben Ätztechniken hergestellt werden, die auch für die Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise verwendet werden. Mit diesen Techniken können mikro- und nanoskalige Strukturen mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit aufgebaut werden. MEMS-Mikrofone sind sehr klein, aber hochempfindlich (Grundrauschen normalerweise besser als 30 dBA). Viele MEMS-Mikrofone integrieren Verstärkungs- und digitale Sampling-Chips auf Geräteebene (sogar auf Chipebene), wodurch digitale Signale direkt bereitgestellt und die Kosten für andere Teile des Systems oder Instruments gesenkt werden. Darüber hinaus eliminiert die direkte Integration von Analog-Digital-Schaltkreisen auf Geräteebene elektromagnetisches Rauschen, das bei herkömmlichen Designs an analoge Eingangsleitungen gekoppelt ist.
MEMS-Mikrofone werden in einem streng kontrollierten Mikroätzverfahren hergestellt, sodass die individuellen Eigenschaften jedes MEMS-Mikrofons äußerst konsistent sind. Sie sind sehr linear (0,1 Prozent Gesamtharmonische Verzerrung (HD) oder besser bei 1 kHz/94 dB SPL) und verfügen über einen großen Dynamikbereich (normalerweise besser als 30 dBA bis 120 dBA). Darüber hinaus reagieren MEMS-Mikrofone kaum auf Temperaturänderungen und ihre Mikrofonmembranen sind so klein und dünn, dass sie mehr als zehnmal weniger empfindlich auf Vibrationen reagieren als elektrostatische Mikrofone. Darüber hinaus sind MEMS-Mikrofone auf dem Markt der Unterhaltungselektronik weit verbreitet und daher auch sehr günstig. Ihre Empfindlichkeit bleibt im Laufe der Zeit sehr stabil und erfordert normalerweise keine Neukalibrierung, um innerhalb der Typ-I-Spezifikationen zu bleiben.
Diese Vorteile machen MEMS-Mikrofone ideal für Designs. Natürlich müssen MEMS-Mikrofone einige Mängel ausgleichen, wenn sie einen effizienten Schallpegelmesser entwickeln wollen.
Da MEMS-Mikrofone digitale Signale auf Geräteebene bereitstellen, ist es nicht möglich, den druckempfindlichen Hohlraum aus der Schaltung zu entfernen und die analoge Verbindung isoliert zu testen. Alle relevanten Normen für Schallpegelmesser wurden in den 1970er Jahren verfasst und gingen davon aus, dass die Konstruktion des Schallpegelmessers aus einem einzelnen Mikrofonhohlraum bestand, der eine analoge Verarbeitungskette oder einen Analog-Digital-Wandler (ADC) ansteuerte, gefolgt von einer digitalen Verarbeitungskette. Dies erfordert die Verwendung elektrischer Signale anstelle von Mikrofonen zur Prüfung von Schallpegelmessern. MEMS-Mikrofone hingegen führen die Analog-Digital-Umwandlung auf Geräteebene durch, was bedeutet, dass ein Schallpegelmesser zwar über die zur Einhaltung einer Norm erforderliche Leistung verfügt, jedoch nicht mit den in angegebenen Methoden getestet werden kann dieser Standard.
Aufgrund der sehr geringen Größe der Siliziumstrukturen von MEMS-Mikrofonen können selbst kleinste Staubpartikel leicht in den Mikrofonhohlraum eindringen und diesen beschädigen. Auch extrem hohe statische und dynamische Belastungen (typischerweise über 160 dB-SPL) können zu Schäden an diesen kleinen Siliziumstrukturen führen.
MEMS-Mikrofone haben typischerweise scharfe Resonanzen im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz. Eine Korrektur dieser Resonanz ist erforderlich, damit der Frequenzgang des Schallpegelmessers innerhalb der Grenzen der entsprechenden Norm liegt.
