Jak navrhnout zvukoměr založený na MEMS?
MEMS jsou mikroelektromechanické systémy, které jsou vyrobeny za použití stejných materiálů (obvykle křemíku) a leptacích technik používaných k výrobě mikroelektronických obvodů. Tyto techniky mohou vytvářet struktury v mikroměřítku a nanoměřítku s vysokou přesností a reprodukovatelností. MEMS mikrofony jsou velmi malé, ale vysoce citlivé (šum je obvykle lepší než 30 dBA). Mnoho MEMS mikrofonů integruje zesilovací a digitální samplovací čipy na úrovni zařízení (dokonce i na úrovni čipu), čímž přímo poskytuje digitální signály a snižuje náklady na ostatní části systému nebo nástroje. Navíc přímá integrace analogově-digitálních obvodů na úrovni zařízení eliminuje elektromagnetický šum spojený s analogovými vstupními linkami v konvenčních konstrukcích.
MEMS mikrofony jsou vyráběny pomocí přísně kontrolovaného procesu mikroleptání, takže individuální charakteristiky každého MEMS mikrofonu jsou extrémně konzistentní. Jsou velmi lineární (0,1 procenta celkového harmonického zkreslení (HD) nebo lepší při 1kHz/94dB SPL) a mají široký dynamický rozsah (obvykle lepší než 30dBA až 120dBA). Kromě toho mají mikrofony MEMS malou citlivost na změny teploty a stejně tak jsou jejich mikrofonní membrány tak malé a tenké, že jsou více než 10krát méně citlivé na vibrace než elektrostatické mikrofony. Kromě toho jsou mikrofony MEMS široce dostupné na trhu spotřební elektroniky, takže jsou také velmi levné. Jejich citlivost zůstává v průběhu času velmi stabilní a obvykle nevyžaduje rekalibraci, aby zůstala ve specifikacích typu I.
Díky těmto výhodám jsou MEMS mikrofony ideální pro design. Mikrofony MEMS mají samozřejmě některé nedostatky, které je třeba vynahradit, pokud chtějí navrhnout účinný měřič hladiny zvuku.
Protože mikrofony MEMS poskytují digitální signály na úrovni zařízení, není možné vyjmout dutinu citlivou na tlak z obvodu a testovat analogové spojení izolovaně. Všechny příslušné normy pro zvukoměry byly napsány v 70. letech 20. století a předpokládaly, že konstrukce zvukoměru sestává z jediné mikrofonní dutiny pohánějící analogový procesní řetězec nebo analogově-digitální převodník (ADC) následovaný digitálním procesním řetězcem. To vyžaduje použití elektrických signálů místo mikrofonů pro testování zvukoměrů. Mikrofony MEMS naproti tomu dokončují analogově-digitální převod na úrovni zařízení, což znamená, že i když zvukoměr může mít výkon požadovaný pro splnění normy, nelze jej testovat pomocí metod uvedených v ten standard.
Vzhledem k velmi malé velikosti křemíkových struktur MEMS mikrofonů mohou i drobné prachové částice snadno vniknout do dutiny mikrofonu a poškodit je. Extrémně vysoké statické a dynamické namáhání (typicky nad 160 dB-SPL) může také způsobit poškození těchto malých křemíkových struktur.
MEMS mikrofony mají typicky ostré rezonance v rozsahu 10 kHz až 20 kHz. Korekce této rezonance je nutná tak, aby frekvenční charakteristika zvukoměru spadala do mezí příslušné normy.
