Hvordan designe en lydnivåmåler basert på MEMS?
MEMS er mikroelektromekaniske systemer som er produsert ved hjelp av de samme materialene (vanligvis silisium) og etseteknikker som brukes til å lage mikroelektroniske kretser. Disse teknikkene kan bygge strukturer i mikroskala og nanoskala med høy presisjon og reproduserbarhet. MEMS-mikrofoner er veldig små, men svært følsomme (støygulv vanligvis bedre enn 30dBA). Mange MEMS-mikrofoner integrerer forsterkning og digitale samplingsbrikker på enhetsnivå (til og med brikkenivå), og gir dermed direkte digitale signaler og reduserer kostnadene for andre deler av systemet eller instrumentet. I tillegg eliminerer direkte integrasjon av analog-til-digital kretser på enhetsnivå elektromagnetisk støy koblet til analoge inngangslinjer i konvensjonelle design.
MEMS-mikrofoner er produsert ved hjelp av en tett kontrollert mikroetsingsprosess, så de individuelle egenskapene til hver MEMS-mikrofon er ekstremt konsistente. De er veldig lineære (0.1 prosent total harmonisk forvrengning (HD) eller bedre ved 1kHz/94dB SPL) og har et bredt dynamisk område (vanligvis bedre enn 30dBA til 120dBA). I tillegg har MEMS-mikrofoner liten følsomhet for temperaturendringer, og på samme måte er mikrofonmembranene deres så små og tynne at de er mer enn 10 ganger mindre følsomme for vibrasjoner enn elektrostatiske mikrofoner. I tillegg er MEMS-mikrofoner allment tilgjengelige i forbrukerelektronikkmarkedet, så de er også veldig billige. Følsomheten deres forblir veldig stabil over tid og krever vanligvis ikke rekalibrering for å holde seg innenfor Type I-spesifikasjonene.
Disse fordelene gjør MEMS-mikrofoner ideelle for design. Selvsagt har MEMS-mikrofoner noen mangler å bøte på hvis de ønsker å designe en effektiv lydnivåmåler.
Fordi MEMS-mikrofoner gir digitale signaler på enhetsnivå, er det ikke mulig å fjerne det trykkfølsomme hulrommet fra kretsen og teste den analoge linken isolert. Alle relevante standarder for lydnivåmålere ble skrevet på 1970-tallet og antok at lydnivåmålerens design besto av et enkelt mikrofonhulrom som driver en analog prosesseringskjede eller en analog-til-digital omformer (ADC) etterfulgt av en digital prosesseringskjede. Dette krever bruk av elektriske signaler i stedet for mikrofoner for å teste lydnivåmålere. MEMS-mikrofoner fullfører derimot analog-til-digital-konverteringen på enhetsnivå, noe som betyr at selv om en lydnivåmåler kan ha ytelsen som kreves for å overholde en standard, kan den ikke testes med metodene spesifisert i den standarden.
På grunn av den svært lille størrelsen på silisiumstrukturene til MEMS-mikrofoner, kan selv små støvpartikler lett komme inn i mikrofonhulen og skade dem. Ekstremt høye statiske og dynamiske påkjenninger (typisk over 160 dB-SPL) kan også forårsake skade på disse små silisiumstrukturene.
MEMS-mikrofoner har vanligvis skarpe resonanser i området 10kHz til 20kHz. Korreksjon for denne resonansen er nødvendig slik at frekvensresponsen til lydnivåmåleren faller innenfor grensene for den aktuelle standarden.
