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Comparaison des technologies de microphones MEMS et ECM

Par Bruce Rose, CUI Inc.

Des dispositifs corporels aux assistants à domicile, de plus en plus d'appareils utilisent des microphones pour capturer avec précision presque tous les sons. Deux des technologies les plus fréquemment utilisées dans la construction de microphones sont les microphones MEMS (microsystèmes électromécaniques) et les microphones ECM (microphones à condensateur électret), avec de nombreux cas d'utilisation pour les deux systèmes. Cet article examine les principes de base de ces deux technologies, compare leurs différences et analyse les avantages de chaque solution.

Microphones MEMS

Conçus avec un composant MEMS placé sur une carte à circuit imprimé et recouvert d'une protection mécanique, les microphones MEMS présentent un petit trou usiné dans le boîtier qui permet au son d'entrer dans le dispositif. Le positionnement de ce trou détermine si le microphone est désigné comme étant à port supérieur si le trou est dans la protection supérieure, ou à port inférieur si le trou se trouve dans la carte à circuit imprimé. Les composants MEMS sont souvent dotés d'un diaphragme mécanique et d'une structure de montage installés sur une puce à semi-conducteur.

Schéma illustrant une construction de microphone MEMS à port supérieur typique

Figure 1 : Construction d'un microphone MEMS à port supérieur typique. (Source de l'image : CUI Devices)

Le diaphragme MEMS forme un condensateur, et les ondes de pression acoustique provoquent le mouvement du diaphragme. Les microphones MEMS contiennent généralement une deuxième puce à semi-conducteur, qui agit comme un préamplificateur audio afin de convertir la capacité variable du MEMS en un signal électrique. Lorsqu'un signal de sortie analogique est privilégié, la sortie du préamplificateur audio peut être fournie à l'utilisateur. Toutefois, si un signal de sortie numérique est requis, un convertisseur analogique-numérique (CAN) est intégré à la même puce que celle où se trouve le préamplificateur audio. La modulation d'impulsion-densité (PDM) constitue le format traditionnel utilisé pour le codage numérique dans les microphones MEMS et permet l'établissement de la communication avec une seule ligne de données et une horloge. En outre, le décodage du signal numérique au niveau du récepteur est simplifié grâce au codage à un seul bit des données.

Schémas de microphones MEMS analogiques et numériques

Figure 2 : Le schéma de gauche illustre un microphone MEMS analogique. Le schéma de droite illustre un microphone MEMS numérique. (Source de l'image : CUI Devices)

Microphones à condensateur électret

La construction des microphones à condensateur électret (ECM) est illustrée à la Figure 3.

Schéma illustrant la construction de base d'un microphone à condensateur électret

Figure 3 : Construction de base d'un microphone à condensateur électret (source de l'image : CUI Devices)

Dans un microphone ECM, le diaphragme électret est un matériau présentant une charge de surface fixe, qui est placé près d'une plaque conductrice. Tout comme dans un microphone MEMS, un condensateur est créé avec l'entrefer formant le diélectrique. Les ondes de pression acoustique qui font bouger le diaphragme électret provoquent un changement de la valeur de la capacité, ce qui fait varier la tension au niveau du condensateur, ΔV = Q/ ΔC (Q = charge fixe). Ces variations de tension du condensateur sont amplifiées et mises en tampon par un JFET à l'intérieur du logement du microphone. Le JFET est généralement conçu dans une configuration à source commune avec une résistance de charge externe et un condensateur de liaison CC utilisé dans le circuit d'application externe.

Schéma d'un ECM

Figure 4 : Schéma d'un ECM (source de l'image : CUI Devices)

Avantages et inconvénients

Lorsqu'il s'agit de choisir entre un microphone ECM ou MEMS, il y a plusieurs aspects à prendre en compte. Les nombreux avantages offerts par la technologie de microphone MEMS plus récente se reflètent dans l'accroissement rapide de sa part de marché. Par exemple, les utilisateurs qui recherchent des solutions pour des applications à faible encombrement apprécieront les boîtiers compacts des microphones MEMS, ainsi que la réduction de la surface des circuits imprimés et des coûts des composants, obtenus grâce à l'inclusion de circuits analogiques et numériques dans l'assemblage du microphone MEMS.

En outre, l'impédance de sortie relativement faible des microphones MEMS analogiques, combinée aux sorties des microphones MEMS numériques, convient parfaitement aux applications en environnements électriquement bruyants. De même, l'utilisation de la technologie de microphones MEMS dans des environnements à fortes vibrations peut réduire le niveau de bruit indésirable produit par les vibrations mécaniques. La technologie de construction à semi-conducteurs et l'ajout de préamplificateurs audio permettent en outre de fabriquer des microphones MEMS avec des caractéristiques de performances stables en température étroitement adaptées, constituant une solution idéale pour les applications de réseaux multi-microphones. Lors du processus de fabrication, les microphones MEMS peuvent également supporter des profils de température de soudage par refusion.

Malgré l'essor des microphones MEMS, les microphones à condensateur électret restent une option viable pour une grande variété d'applications. Étant donné que de nombreuses conceptions existantes utilisent des ECM, il est plus facile pour les ingénieurs de continuer à utiliser un ECM pour les mises à niveau de conception simples. Les ECM offrent également aux concepteurs une plus grande flexibilité de montage avec des types de terminaison tels que fils, broches, pastilles de soudure, CMS et contacts à ressort. Dans les environnements où la poussière et l'humidité constituent un problème, il est facile de fournir des solutions ECM avec un indice de protection IP élevé en raison de leur plus grande taille physique. Par ailleurs, dans les applications qui exigent une sensibilité spatiale non uniforme, les produits ECM existent avec une directivité unidirectionnelle ou à suppression du bruit. Leur vaste plage de tensions de fonctionnement peut également être idéale dans les applications avec des rails de tension plus ou moins régulés.

Choisir le microphone adéquat

Au final, la technologie de microphone choisie dépend des contraintes du projet concerné. Même s'il est vrai que la popularité des microphones MEMS ne cesse de croître en raison de leurs nombreux avantages intrinsèques, de nombreux utilisateurs comptent encore sur les ECM dans diverses applications en raison de la variété de boîtiers et d'options de directionnalité. Toutefois, au-delà des choix technologiques, le fabricant de composants électroniques CUI Devices continue à développer et à proposer une vaste gamme de microphones qui vous permet de profiter d'une flexibilité supplémentaire pour répondre à vos besoins audio.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

Bruce Rose, CUI Inc.

Article rédigé par Bruce Rose, ingénieur principal des applications, CUI Inc.