एमईएमएस माइक्रोफोन के भीतर: ध्वनि तरंग से डिजिटल सिग्नल तक

1 परिचय
2. यह कैसे काम करता है
3. हार्डवेयर संरचना
4. बेस्टार की ध्वनिक इंजीनियरिंग क्षमताएं
5। उपसंहार

परिचय
दशकों तक, उपभोक्ता ऑडियो के क्षेत्र में इलेक्टरेट कंडेंसर माइक्रोफोन (ईसीएम) को ही मानक माना जाता था। ईसीएम सस्ते, सरल और कार्यात्मक होते हैं। लेकिन इनकी एक मूलभूत सीमा है: इन्हें एनालॉग घटकों की तरह हाथ से बनाया जाता है, और इसी कारण प्रत्येक इकाई में एकरूपता नहीं होती, ये गर्मी के प्रति संवेदनशील होते हैं, और इन्हें मोबाइल फोन में फिट करना मुश्किल होता है।
एमईएमएस माइक्रोफोन यह पूरी तरह से बदल गया। MEMS (माइक्रो इलेक्ट्रो मैकेनिकल सिस्टम) ऐसे उपकरण हैं जिनमें एक ही सिलिकॉन चिप पर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के अलावा यांत्रिक उपकरण भी होते हैं, और इन्हें उसी अर्धचालक प्रक्रिया से बनाया जाता है जिसका उपयोग प्रोसेसर और मेमोरी बनाने में किया जाता है। ध्वनि संवेदन के संदर्भ में इसका अर्थ यह है कि एक माइक्रोफोन बनाया जा सकता है जो पारंपरिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल की बजाय एक सटीक अर्धचालक उपकरण की तरह कार्य करता है।
इसके व्यावहारिक लाभ बहुत अधिक हैं। पहला, MEMS माइक्रोफ़ोन में स्थिरता होती है; MEMS माइक्रोफ़ोन बनाने की प्रक्रिया में फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से सिलिकॉन वेफर्स का उपयोग किया जाता है, इसलिए लाखों अनुनादी माइक्रोफ़ोन इकाइयों में संवेदनशीलता और आवृत्ति प्रतिक्रिया को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है। दूसरा, ऊष्मीय स्थिरता; MEMS माइक्रोफ़ोन SMT असेंबली लाइनों के रिफ्लो सोल्डरिंग तापमान को सहन कर सकते हैं, जिस तापमान पर पारंपरिक ECM नष्ट हो जाते हैं। तीसरा, MEMS पैकेज आमतौर पर 2.5 x 1.8 मिमी और उससे छोटे होते हैं, जिससे अल्ट्रा-थिन स्मार्टफोन, TWS ईयरबड्स, स्मार्ट वाहन और IoT डिवाइस बनाना संभव हो पाता है, जो आधुनिक उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के पर्याय हैं।
इन विशेषताओं के कारण एमईएमएस माइक्रोफोन उन सभी अनुप्रयोगों के लिए मानक बन गए हैं जिनमें ऑडियो गुणवत्ता, निर्माण विश्वसनीयता या उपकरण का लघुकरण प्राथमिकता है।

यह कैसे काम करता है: ध्वनि को विद्युत संकेत में परिवर्तित करना
ए एमईएमएस माइक्रोफोन यह धारिता में परिवर्तन के सिद्धांत पर काम करता है। इस क्रियाविधि को समझने के लिए केवल सरलतम भौतिकी की आवश्यकता होती है।
संधारित्र एक विद्युत भंडार है जो दो चालक प्लेटों के बीच, एक निश्चित दूरी पर, विद्युत आवेश को धारण करता है। संधारिता (इसमें समाहित आवेश की मात्रा) प्लेटों के बीच की दूरी के व्युत्क्रमानुपाती होती है। जब यह दूरी बदलती है, तो संधारिता भी बदल जाती है। जब किसी आवेशित प्रणाली में संधारिता में परिवर्तन होता है, तो उस प्रणाली में वोल्टेज में भी परिवर्तन होता है। वोल्टेज में यह परिवर्तन विद्युत संकेत को दर्शाता है।
MEMS माइक्रोफ़ोन के मामले में, दो "प्लेट" डायाफ्राम और बैकप्लेट हैं। डायाफ्राम एक पतली और लचीली सिलिकॉन झिल्ली होती है, जो बैकप्लेट के पीछे स्थित होती है, और इसके कुछ माइक्रोन पीछे एक कठोर, छिद्रित इलेक्ट्रोड होता है। ध्वनि तरंगें (हवा में एक दबाव तरंग) डायाफ्राम पर दबाव डालती हैं और इसे लचीला बनाती हैं। इस लचीलेपन से डायाफ्राम और बैकप्लेट के बीच की दूरी बदल जाती है, जिससे धारिता बदल जाती है, और यही वह वोल्टेज सिग्नल उत्पन्न करता है जो वहां प्रेषित ध्वनि दबाव के अनुरूप होता है।
उत्पन्न होने वाला सिग्नल अत्यंत सूक्ष्म होता है, लगभग माइक्रोवोल्ट के क्रम में। प्रवर्धित और अनुकूलित किए बिना यह लंबी दूरी तक नहीं जा सकता। यही ASIC की कार्यप्रणाली है।
प्रत्येक MEMS माइक्रोफ़ोन पैकेज में पाया जाने वाला दूसरा सिलिकॉन चिप ASIC (एप्लिकेशन स्पेसिफिक इंटीग्रेटेड सर्किट) है। यह तीन कार्य करता है। पहला, यह कैपेसिटिव तत्व को स्थिर बायस वोल्टेज प्रदान करता है (जिसे चार्ज पंप कहा जाता है, एक आंतरिक सर्किट जो कैपेसिटर के आर-पार एक स्थिर विद्युत क्षेत्र प्राप्त करने के लिए DC स्तर का ध्रुवीकरण वोल्टेज उत्पन्न करता है)। दूसरा, यह प्रतिबाधा रूपांतरण का एक साधन है, जो कैपेसिटिव तत्व के उच्च प्रतिबाधा आउटपुट को कम प्रतिबाधा सिग्नल के सिग्नल चेन ड्राइविंग प्रतिबाधा में परिवर्तित करता है। तीसरा, यह प्रवर्धित करता है और डिजिटल संस्करणों में, इसे मानक सिग्नल के प्रारूप में परिवर्तित करता है।

हार्डवेयर संरचना: सेमीकंडक्टर ग्रेड की सूक्ष्म यांत्रिकी
एमईएमएस चिप (सेंसिंग चिप)
पिस्टन गति का मुख्य घटक है। यह आमतौर पर सिलिकॉन से बनी एक गोलाकार या आयताकार झिल्ली होती है, जिसकी मोटाई कुछ माइक्रोमीटर होती है। इसके किनारे स्थिर होते हैं और मध्य भाग से यह स्वतंत्र रूप से मुड़ सकती है। इसकी कठोरता और द्रव्यमान माइक्रोफ़ोन की संवेदनशीलता और आवृत्ति प्रतिक्रिया विशेषताओं को निर्धारित करते हैं। पतले और बड़े डायाफ्राम अधिक संवेदनशीलता प्रदान करते हैं, लेकिन उनकी कठोरता कम होती है।
बैकप्लेट की पिछली सतह स्थिर इलेक्ट्रोड होती है। इसमें ध्वनिक छिद्रों की एक श्रृंखला बनी होती है, जो संरचनात्मक मजबूती सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त छोटे होते हैं, लेकिन वायु प्रवाह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त बड़े होते हैं, जिससे कोई चिपचिपा प्रतिरोध डायाफ्राम की गति को बाधित नहीं करता है। डायाफ्राम और बैकप्लेट के बीच का अंतर सामान्यतः 1-4 माइक्रोमीटर होता है। उत्पादन प्रक्रिया के दौरान इस आयाम को बनाए रखना एमईएमएस ध्वनिक उपकरणों के निर्माण की प्रमुख चुनौतियों में से एक है।
सिग्नल प्रोसेसिंग चिप (ASIC चिप)
ASIC प्रतिबाधा रूपांतरण, पूर्व प्रवर्धन और एनालॉग से डिजिटल रूपांतरण करता है। एनालॉग आउटपुट उपकरणों के मामले में, यह निश्चित लाभ के साथ एकल या विभेदक वोल्टेज सिग्नल प्रदान करता है। डिजिटल आउटपुट उपकरणों में, इसमें SD मॉड्यूलेटर होता है जो एनालॉग सिग्नल को PDM (पल्स डेंसिटी मॉड्यूलेशन) या I²S बिटस्ट्रीम में परिवर्तित करता है।
पैकेजिंग और ध्वनिक गुहा
दो चिप्स (MEMS और ASIC) एक सरफेस माउंट पैकेज के अंदर लगी होती हैं, जो आमतौर पर मेटल-लिड LCC हाउसिंग या प्लास्टिक LGA टाइप हाउसिंग होती है। ध्वनिक पोर्ट या तो पैकेज के निचले हिस्से (बॉटम पोर्ट) पर होता है या ऊपरी पोर्ट पर।
बॉटम-पोर्ट माइक्रोफ़ोन का ध्वनिक छिद्र नीचे स्थित पीसीबी के छेद के साथ संरेखित होता है और यह पीसीबी के नीचे से ध्वनि ग्रहण करता है। टॉप-पोर्ट माइक्रोफ़ोन का छिद्र कंपोनेंट की ओर होता है और यह ऊपर से ध्वनि ग्रहण करता है। माइक्रोफ़ोन का चुनाव उपयोग किए गए आवरण की ज्यामिति, ध्वनिक सीलिंग की आवश्यकता और लक्षित ध्वनि स्रोत की दिशा पर निर्भर करता है।
डायाफ्राम के दोनों ओर स्थित रिक्त स्थानों (फ्रंट कैविटी वॉल्यूम) और बैक कैविटी वॉल्यूम का अनुपात संवेदनशीलता और निम्न आवृत्ति प्रतिक्रिया पर सीधा प्रभाव डालता है। और एक बड़ी फ्रंट कैविटी आमतौर पर निम्न आवृत्ति विस्तार को बेहतर बनाती है।

बेस्टार की ध्वनिक इंजीनियरिंग क्षमताएं
सर्वश्रेष्ठ कंपनी ने ध्वनिक अनुसंधान और अर्धचालक-स्तरीय प्रक्रिया नियंत्रण में निरंतर निवेश के माध्यम से अपने एमईएमएस माइक्रोफोन पोर्टफोलियो का विकास किया है। घटकों की आपूर्ति के अलावा, सर्वश्रेष्ठ समाधान भी प्रदान कर सकते हैं।

निष्कर्ष
एमईएमएस माइक्रोफोन एक बेहद उल्लेखनीय उपकरण है। यह चावल के दाने से भी छोटे आकार में, असाधारण सटीकता के साथ वायु दाब में होने वाले बदलावों (ध्वनि) को विद्युतीय जानकारी में परिवर्तित करके कंप्यूटर तक पहुंचाता है।
यह ध्वनिक भौतिकी और अर्धचालक निर्माण के एकीकरण के कारण संभव हुआ है। परिवर्तनीय संधारित्र का सिद्धांत सौ वर्षों से अधिक समय से ज्ञात है। जो परिवर्तन आया है वह यह है कि अब उस संधारित्र को, डायाफ्राम, बैकप्लेट और गैप सहित, सूक्ष्म धारा परिशुद्धता के स्तर को शामिल किए बिना, कम लागत में बनाया जा सकता है।
आगे देखें तो, माइक्रोवॉट में बिजली की खपत करने वाले माइक्रोफ़ोन लगातार चालू रहते हैं और किसी विशिष्ट कीवर्ड के प्राप्त होने पर ही डिवाइस को सक्रिय करते हैं। ऑन-एआई वॉयस प्रोसेसिंग माइक्रोसेवाएं बेहद रोमांचक दिखती हैं। इसके लिए एएसआईसी के कम बिजली खपत वाले डिज़ाइन और सेंसर फ़्यूज़न में और भी उन्नत तकनीकों की आवश्यकता है। एमईएमएस माइक्रोफ़ोन इस बदलाव के लिए उपयुक्त हैं; उनकी दक्षता और संयोजन घनत्व उन्हें वॉयस-फर्स्ट गैजेट्स के अगले चरण के लिए स्वाभाविक आधार बनाते हैं।
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