داخل ميكروفون MEMS: من الموجة الصوتية إلى الإشارة الرقمية

1. مقدمة
2. كيف يعمل
3. بنية الأجهزة
4. قدرات بيستار في مجال الهندسة الصوتية
5. الخاتمة

مقدمة
لعقود طويلة، كان ميكروفون المكثف الإلكتروني (ECM) هو الخيار الأمثل في مجال الصوتيات الاستهلاكية. يتميز هذا النوع من الميكروفونات بانخفاض تكلفته وبساطته وفعاليته. إلا أنه يعاني من عيب جوهري، وهو أنه يُصنع يدويًا كالمكونات التناظرية، ولذلك فهو غير متناسق من وحدة لأخرى، وحساس للحرارة، ويصعب تصغير حجمه ليناسب الهواتف المحمولة.
ميكروفونات MEMS لقد تغير هذا المفهوم جذرياً. أنظمة MEMS (الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة) هي أجهزة تجمع بين المكونات الميكانيكية والدوائر الإلكترونية على شريحة سيليكون واحدة، وتُصنع باستخدام نفس عمليات أشباه الموصلات المستخدمة في صناعة المعالجات والذاكرة. عند تطبيقها على الاستشعار الصوتي، فهذا يعني إمكانية تصنيع ميكروفون يعمل بشكل أقرب إلى أجهزة أشباه الموصلات الدقيقة منه إلى الأجهزة الكهروميكانيكية التقليدية.
الفوائد العملية هائلة. أولًا، تتميز ميكروفونات MEMS بالاتساق، إذ تُصنع باستخدام رقائق السيليكون بتقنية الطباعة الضوئية، ما يضمن تحكمًا دقيقًا في الحساسية واستجابة التردد بين ملايين وحدات الميكروفون الرنان. ثانيًا، تتميز ميكروفونات MEMS بالاستقرار الحراري، حيث تتحمل درجات حرارة لحام إعادة التدفق في خطوط تجميع SMT، وهي درجة حرارة تتلف عندها الميكروفونات الإلكترونية التقليدية. ثالثًا، يبلغ حجم عبوات MEMS عادةً 2.5 × 1.8 مم أو أصغر، ما يُتيح إنتاج الهواتف الذكية فائقة النحافة، وسماعات الأذن اللاسلكية الحقيقية، والمركبات الذكية، وأجهزة إنترنت الأشياء التي تُعدّ من سمات الإلكترونيات الاستهلاكية الحديثة.
وقد جعلت هذه الخصائص ميكروفونات MEMS المعيار لأي تطبيق تكون فيه جودة الصوت أو موثوقية التصنيع أو تصغير حجم الجهاز من الأولويات.

كيف يعمل: تحويل الصوت إلى إشارة كهربائية
أ ميكروفون MEMS يعمل هذا الجهاز وفق مبدأ تغير السعة. لفهم هذه الآلية، لا يحتاج المرء إلا إلى أبسط مبادئ الفيزياء.
المكثف هو مخزن كهربائي يخزن الشحنة الكهربائية بين لوحين موصلين يفصل بينهما فراغ. تتناسب السعة (كمية الشحنة المخزنة فيه) عكسيًا مع المسافة بين اللوحين. عند تغيير هذه المسافة، تتغير السعة. وعندما يحدث تغيير في السعة في نظام مشحون، يحدث أيضًا تغيير في الجهد الكهربائي في ذلك النظام. يمثل هذا التغيير في الجهد الإشارة الكهربائية.
في حالة ميكروفون MEMS، يُمثل الغشاء واللوحة الخلفية "اللوحتين". الغشاء عبارة عن غشاء سيليكوني رقيق ومرن، ويقع خلف اللوحة الخلفية قطب كهربائي صلب مثقب على بُعد بضعة ميكرونات. تدفع الموجات الصوتية (موجة ضغط في الهواء) الغشاء، مما يؤدي إلى انثناءه. يُغير هذا الانثناء المسافة بين الغشاء واللوحة الخلفية، وبالتالي تتغير السعة الكهربائية، وهي التي تُنتج إشارة جهد تتناسب مع ضغط الصوت المُنتقل عبر الغشاء.
الإشارة المتولدة صغيرة للغاية، في حدود الميكروفولت. لا يمكنها الانتقال لمسافات طويلة دون تضخيمها ومعالجتها. هذه هي آلية عمل الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC).
تُعدّ الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) ثاني شريحة سيليكونية موجودة في كل وحدة ميكروفون MEMS. وتؤدي ثلاث وظائف: أولًا، تزويد العنصر السعوي (المعروف بمضخة الشحن، وهي دائرة داخلية تولد جهد استقطاب مستمر لتحقيق مجال كهربائي ثابت عبر المكثف) بجهد انحياز ثابت. ثانيًا، تحويل المعاوقة، حيث تُحوّل خرج المعاوقة العالية للعنصر السعوي إلى معاوقة إشارة منخفضة. ثالثًا، تضخيم الإشارة، وفي النسخ الرقمية، تحويلها إلى صيغة إشارة قياسية.

بنية الأجهزة: الميكانيكا الدقيقة لأشباه الموصلات
شريحة MEMS (شريحة الاستشعار)
المكبس هو عنصر الحركة. وهو عادةً غشاء دائري أو مستطيل مصنوع من السيليكون، بسماكة بضعة ميكرومترات، مثبت من الحواف ومُترك حرًا للانثناء من المنتصف. يتميز المكبس بصلابة وكتلة تحددان حساسية الميكروفون وخصائص استجابته للتردد. تتميز الأغشية الرقيقة والكبيرة بحساسية أعلى ولكنها أقل صلابة.
السطح الخلفي للوحة الخلفية هو القطب الثابت. وهو مثقوب بمجموعة من الثقوب الصوتية، صغيرة بما يكفي لضمان الصلابة الهيكلية وكبيرة بما يكفي لضمان تدفق الهواء، مما يسمح للحجاب الحاجز بالحركة دون أي مقاومة لزجة. تتراوح المسافة بين الحجاب الحاجز واللوحة الخلفية عادةً بين 1 و4 ميكرومتر. ويُعدّ الحفاظ على هذا البُعد طوال عملية الإنتاج أحد تحديات تصنيع الأجهزة الصوتية بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS).
شريحة معالجة الإشارات (شريحة ASIC)
تقوم الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) بتحويل المعاوقة، والتضخيم الأولي، والتحويل من تناظري إلى رقمي. في حالة أجهزة الإخراج التناظرية، توفر إشارة جهد، إما أحادية أو تفاضلية، بكسب ثابت. أما في أجهزة الإخراج الرقمية، فتحتوي على مُعدِّل SD الذي يحوّل الإشارة التناظرية إلى PDM (تعديل كثافة النبضة) أو دفق بتات I²S.
التغليف وتجويف الصوتيات
تُركّب الشريحتان (MEMS وASIC) داخل غلاف مُثبّت على السطح، وعادةً ما يكون غلافًا معدنيًا من نوع LCC أو غلافًا بلاستيكيًا من نوع LGA. ويكون منفذ الصوت إما في أسفل الغلاف (المنفذ السفلي) أو في أعلاه.
تُحاذي الميكروفونات ذات المنفذ السفلي الفتحة الصوتية مع ثقب في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أسفلها، وتلتقط الصوت من أسفلها. أما الميكروفونات ذات المنفذ العلوي، فتُفتح باتجاه المكونات وتستقبل الصوت من أعلاها. ويعتمد اختيار نوع الميكروفون على شكل الغلاف المستخدم، ومتطلبات العزل الصوتي، واتجاه مصدر الصوت المستهدف.
تؤثر نسبة حجم التجويف الأمامي إلى حجم التجويف الخلفي (المساحات على جانبي غشاء السماعة) بشكل مباشر على الحساسية واستجابة الترددات المنخفضة. وبشكل عام، يؤدي كبر حجم التجويف الأمامي إلى تحسين استجابة الترددات المنخفضة.

قدرات بيستار في مجال الهندسة الصوتية
الأفضل طورت الشركة مجموعة منتجاتها من ميكروفونات MEMS من خلال استثمار مستمر في أبحاث الصوتيات والتحكم في عمليات أشباه الموصلات. وبالإضافة إلى توريد المكونات، الأفضل ويمكنه أيضاً تقديم حلول.

خاتمة
يُعدّ الميكروفون الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) جهازًا رائعًا للغاية. فهو يحوّل التغيرات في ضغط الهواء (الصوت) إلى معلومات كهربائية بدقة فائقة، ويرسلها إلى الحاسوب، وذلك في حزمة أصغر من حبة أرز.
هذا ممكن بفضل التقارب بين فيزياء الصوتيات وصناعة أشباه الموصلات. يُعرف مبدأ المكثف المتغير منذ أكثر من مئة عام. أما الجديد فهو القدرة على تصنيع هذا المكثف، بما في ذلك الغشاء واللوحة الخلفية والفجوة، بتكلفة لا تتطلب دقة متناهية في قياس التيار.
بالنظر إلى المستقبل، نجد أن الميكروفونات تستهلك طاقة ضئيلة للغاية، وتعمل باستمرار، ولا تُفعّل الجهاز إلا عند استقبال كلمة مفتاحية محددة. تبدو خدمات معالجة الصوت المصغّرة المدعومة بالذكاء الاصطناعي واعدة. ويتطلب هذا تقنيات أكثر تطورًا في تصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) منخفضة الطاقة، وفي دمج البيانات من أجهزة الاستشعار. تتمتع ميكروفونات MEMS بموقع مثالي لهذا التحول، فكفاءتها وكثافة دمجها تجعلها الأساس الطبيعي لوظائف الأجهزة الصوتية المستقبلية.
سواء كنت تطلب مكونًا جاهزًا أو ترغب في الحصول على نصائح حول إعداد النظام الصوتي من أي نوع، من فضلك اتصال الأفضل، الأفضل نحن هنا لمساعدتك في مشروعك بدءًا من المواصفات الأولية وحتى جاهزية الإنتاج.