Применение MEMS-микрофонов STMicroelectronics в качестве ультразвуковых датчиков виброконтроля и обнаружения утечек газа

25 октября

системы безопасностиучёт ресурсовлабораторные приборыSTMicroelectronicsстатьяпассивные ЭК и электромеханикаМикрофонIoTультразвук

Софья Букреева (г. Протвино)

MEMS-микрофоны IMP34DT05 и IMP23ABSU производства компании STMicroelectronics, помимо работы в стандартном диапазоне частот 20 Гц…20 кГц, способны улавливать ультразвуковой сигнал, достигающий 80 кГц. Благодаря этому микрофоны ST могут использоваться в ультразвуковых датчиках для определения утечки газа или жидкости, а также для виброконтроля промышленного оборудования.

Области применения MEMS-микрофонов ST

MEMS-микрофоны предназначены для таких аудиоприложений, где главными требованиями являются небольшой размер, высокое качество звука и надежность. Компания STMicroelectronics предлагает аналоговые и цифровые MEMS-микрофоны с верхним или нижним звуковыми входами. Их преимущества заключаются в сохранении чувствительности после пайки, малом разбросе параметров при производстве, высокой ударопрочности, а также в возможности стереозахвата и шумоподавления. Микрофоны STMicroelectronics широко используются в персональной электронике, например, в ноутбуках, цифровых камерах, плеерах, слуховых аппаратах, умных часах и других портативных устройствах, а также в промышленном и медицинском оборудовании. MEMS-микрофоны могут служить не только для передачи речи, но и для работы с сигналами за пределами слышимого диапазона частот. Ультразвуковые датчики на основе MEMS-микрофонов находят применение при решении самых разных задач. Например, такие датчики могут обнаруживать утечки жидкости или газа за счет приема ультразвукового сигнала, возникающего при повреждении трубы. Такой сигнал будет зависеть от диаметра отверстия утечки и давления внутри трубы. Обнаружение данного сигнала позволит своевременно диагностировать неисправность.

В таблице 1 представлены доступные варианты микрофонов производства компании STMicroelectronics. Линейка IMP34DT05, предназначенная для промышленного применения, входит в программу 10-летней поддержки производства ST.

Таблица 1. Линейка MEMS-микрофонов компании STMicroelectronics

Наименование Тип
выхода
Располо-жение входа Размеры, мм Напряже-ние питания, В Соотно-шение «сигнал/шум», дБ Чувствитель-ность, дБВ Звуковое давление, дБ SPL Потребле-ние тока, мкА
IMP34DT05 Цифровой Верхнее 3х4х1 1,6…3,6 64 -26 ± 3 122,5 650
MP34DT05-A
MP34DT06J
MP23DB01HP Нижнее 3,5х2,65х0,98 651; 642 -41 ± 11;
-24 ± 1
2
1351; 1202 8001; 2852
MP23ABS1 Аналоговый Нижнее 1,52…3,6 64 -38 130 120
1 – в нормальном режиме;
2 – в режиме низкого потребления.

Конструкция MEMS-микрофона

MEMS-микрофон является конденсатором, одна из пластин которого зафиксирована, а другая представляет собой подвижную мембрану (рисунок 1). Звук, проходя через акустические отверстия в задней зафиксированной пластине, смещает мембрану, тем самым изменяя емкость такого конденсатора. Для выравнивания давления между микрофоном и окружающей средой в конструкции предусмотрено вентиляционное отверстие.

Рис. 1. Структура MEMS-микрофона

Рис. 1. Структура MEMS-микрофона

Микрофон помещают в специальный корпус, который состоит из передней и задней камер, задающих частотную характеристику микрофона. На рисунке 2 показано устройство микрофона IMP23ABSU в металлическом корпусе.

Рис. 2. MEMS-микрофон в стандартном металлическом корпусе

Рис. 2. MEMS-микрофон в стандартном металлическом корпусе

Толщина подложки выбирается так, чтобы достичь компромисса между надежностью и частотой Гельмгольца, при которой происходит воздушный резонанс: если полость MEMS-микрофона больше объема входного отверстия, будет наблюдаться резонанс Гельмгольца. Чаще всего это условие не соблюдается, поскольку объем полости микрофона меньше всего объема уплотнительной прокладки на его входе. Однако распространение акустических волн внутри полостей представляет собой сложный для расчета процесс, зависящий от геометрии каждой части, и для моделирования характеристик микрофонов рекомендуется использовать программные инструменты, такие как COMSOL®.

Ультразвуковые возможности аналоговых микрофонов 

Стандартные MEMS-микрофоны предназначены для работы в полосе звукового сигнала 0,02…20 кГц. Программный инструмент COMSOL® позволяет промоделировать работу MEMS-микрофонов STMicroelectronics в ультразвуковом диапазоне 20…80 кГц. Ниже представлены результаты моделирования, показывающие, как геометрия уплотнительной прокладки влияет на частотную характеристику аналогового MEMS-микрофона IMP23ABSU с нижним входом, и рассмотрены его ультразвуковые возможности. Как правило, низкочастотный отклик зависит от размеров задней камеры и вентиляционного отверстия, а высокие частоты определяются геометрией передней камеры.

Первое моделирование (рисунок 3) заключается в расчете частотной характеристики акустической системы, состоящей из передней камеры MEMS-микрофона, подложки с отверстием и цилиндрической трубки с фиксированным радиусом 250 мкм и длиной 1,5 мм (плюс 0,1 мм – толщина паяльной пасты). Такая геометрия звукового входа повторяет отверстие в стандартной печатной плате.

Рис. 3. Моделирование работы MEMS-микрофона на толстой стандартной плате

Рис. 3. Моделирование работы MEMS-микрофона на толстой стандартной плате

Примечание. На рисунке 3 слева использована разная размерность по осям (10-4 и 10-3), поэтому визуальное представление не соответствует реальным пропорциям.

Поскольку резонансная частота системы близка к 15 кГц, а неравномерность в 3 дБ соблюдается в диапазоне до 17 кГц, уплотнительная прокладка на основе стандартной печатной платы подходит для слышимого диапазона частот.

При втором моделировании (рисунок 4) длина цилиндрической трубки уменьшена до 0,3 мм (плюс 0,1 мм – толщина паяльной пасты). Такая геометрия звукового входа имитирует отверстие в гибкой печатной плате и создает практически свободное поле для распространения звука, то есть близка по показателям к устройству без дополнительной прокладки.

Рис. 4. Моделирование MEMS-микрофона на тонкой гибкой плате

Рис. 4. Моделирование MEMS-микрофона на тонкой гибкой плате

Поскольку резонансная частота системы близка к 30 кГц, а неравномерность в 3 дБ соблюдается в диапазоне до 15 кГц, прокладка на основе тонкой печатной платы подходит для применений с ультразвуковыми частотами, близкими к слышимому диапазону.

Результаты моделирований демонстрируют, что вариант микрофона на гибкой печатной плате позволяет получить плоскую частотную характеристику в широком звуковом и частично ультразвуковом диапазонах.

Практическое измерение характеристик микрофона в области ультразвуковых частот

Обычно для тестирования микрофона требуется безэховая камера и динамик. В зависимости от желаемого диапазона частот, это могут быть низкочастотный динамик, твитер («пищалка») или коаксиальный динамик, опорный микрофон и система сбора данных. При тестировании необходимо контролировать температуру, а звуковое поле должно быть выровнено (обычно на уровне 94 дБ SPL). Стандартная процедура калибровки системы изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Блок-схема процедуры выравнивания

Рис. 5. Блок-схема процедуры выравнивания

Частотная характеристика тестируемого микрофона показывает его отклик на акустические сигналы разных частот и обычно нормируется по уровню 94 дБ SPL при 1 кГц. Для тестов выбраны микрофон GRAS 46BD в качестве опорного, ультразвуковой динамик L400 производства компании Pettersson Elektronik AB и аналоговый входной модуль APx525 от Audio Precision для сбора данных. Тестирование выполнено на 100 образцах с гибкой печатной платой. На рисунке 6 представлена частотная характеристика IMP23ABSU в ультразвуковом диапазоне, полученная по средним значениям измерений.

Рис. 6. Частотная характеристика IMP23ABSU в ультразвуковом диапазоне

Рис. 6. Частотная характеристика IMP23ABSU в ультразвуковом диапазоне

Точные пределы ультразвуковой чувствительности можно вывести из полученной характеристики и стандартного отклонения измерений образцов. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2. Пределы ультразвуковой чувствительности и типичные значения чувствительности IMP23ABSU.

Частота, Гц Мин. Тип. Макс.
20000 7,5 12,5 17,5
25000 12,5 17,5 22,5
30000 12,5 17,5 22,5
45000 -2,5 2,5 7,5
60000 -2,5 2,5 7,5
70000 -12,5 -7,5 -2,5
80000 -12,5 -7,5 -2,5

На рисунке 7 изображена характеристика IMP23ABSU в полном диапазоне звуковых и ультразвуковых частот 0,02…80 кГц.

Рис. 7. Частотная характеристика IMP23ABSU в полном диапазоне 0,02…80 кГц, нормированная по чувствительности 94 дБ SPL при 1 кГц

Рис. 7. Частотная характеристика IMP23ABSU в полном диапазоне 0,02…80 кГц, нормированная по чувствительности 94 дБ SPL при 1 кГц

Приведенные тесты и полученные результаты измерений полностью повторяемы и воспроизводимы, что позволяет разработчику использовать эти значения в качестве типичных для микрофона в ультразвуковом диапазоне и добавлять их в свои программные процедуры коррекции в режиме реального времени или в постобработке. Фильтрация частот свыше 50 кГц (в отличие от результатов моделирования прокладки из гибкой печатной платы) обусловлена внутренней фильтрацией электроники и полностью воспроизводима.

Области применения

Ультразвуковые микрофоны нашли широкое применение в промышленном оборудовании. Возможность находить чрезмерные вибрации и места повышенного износа с помощью ультразвуковых датчиков позволяют своевременно проводить техническое обслуживание оборудования и избегать его простоя. Данные микрофоны также способны определять утечку воздуха или газа в трубах. За счет ультразвука можно выявлять дефекты высоковольтных кабелей, при повреждении которых электрический разряд пробивает воздушный диэлектрик, создавая акустический эффект.

В телекоммуникациях возможной областью применения является передача данных ультразвуковыми сигналами. Например, Google Chromecast передает пакеты данных в ближнем ультразвуковом диапазоне, чтобы устройства Android могли определять, находится ли устройство Chromecast в комнате, и подключаться к нему. Ультразвуковые сигналы также могут использоваться для обнаружения приближения или присутствия умной ручки в планшетах.

Кроме этого, ультразвуковой контроль используется в электронных устройствах для регистрации сигналов животных. Например, морские свинки издают характерный ультразвуковой сигнал при рождении. Летучие мыши способны испускать сигналы вплоть до 200 кГц для определения объектов в пространстве. Прослушивая передаваемый и отраженный сигналы, можно обнаружить присутствие летучей мыши.

Область применений ультразвуковых детекторов обширна и продолжает пополняться, что ведет к активному росту рынка соответствующих устройств.

MEMS-микрофоны находят множество применений для обнаружения ультразвуковых сигналов. Компания STMicroelectronics предлагает одну из самых широких линеек MEMS-датчиков, включая MEMS-микрофоны, способные работать в ультразвуковом диапазоне. Стоимость и качество продукции, а также объемы поставок позволяют компании ST сохранять одну из лидирующих позиций на рынке сенсоров.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
MP34DT05-A (ST)
IMP34DT05 (ST)
IMP34DT05TR (ST)
MP23ABS1TR (ST)