Qualitätskontrolle von digitalen MEMS Mikrofon-Arrays

MEMS Mic

Digitale MEMS-Mikrofone (Micro Electro Mechanical System) sind Komponenten, die in verschiedenen Consumer-Geräten sowie in Automobil- und Industrieanwendungen zum Einsatz kommen. Ein digitales MEMS-Mikrofon kombiniert in der Regel einen akustischen Sensor mit einem A/D-Wandler auf einem Siliziumchip. Dieser Chip benötigt nur sehr wenig Platz auf der Leiterplatte und ermöglicht zudem den direkten Anschluss des Mikrofons an den Signalprozessor. Für den schnell wachsenden Markt der Spracherkennung werden digitale MEMS-Mikrofone häufig in einer Array-Formation angeordnet. Dies erlaubt die Erkennung der Position des Sprechenden und die Fokussierung auf seine Ansage. Dafür sind aber nicht nur die absoluten Kennwerte der Mikrofone, sondern vor allem auch ihr relatives Verhalten zueinander von Interesse.

Auf dieser Seite erfahren Sie, wie Sie digitale MEMS-Mikrofone an ein akustisches Testsystem anschliessen und die relevanten Parameter für eine zuverlässige Qualitätsprüfung messen können.

Auf einen Blick

  • Für Messungen an einzelnen Komponenten oder Arrays von digitalen MEMS-Mikrofonen
  • Nahtlose Integration in die NTi Audio Mikrofon-Testlösung
  • Erlaubt unterschiedliche Spannungsversorgungen und Taktfrequenzen

Messparameter

Um die akustischen Parameter eines digitalen MEMS-Mikrofons zu testen, muss das digitale Ausgangssignal des Mikrofons direkt mit dem Audioanalysesystem verbunden, oder in ein anderes – z.B. analoges – Format konvertiert werden. Die typischen Parameter für einen QC-Test sind dieselben wie für den Test der meisten anderen Mikrofone. Empfindlichkeit, Frequenzgang, Verzerrung und Signal-Rausch-Abstand (SNR). Für eine vollständige Charakterisierung eines Mikrofons in einer Laborumgebung werden zusätzlich Parameter wie EIN (Equivalent Input Noise), PSR (Power Supply Rejection), PSRR (Power Supply Rejection Rate) und Dynamik-Bereich gemessen oder berechnet. Optional kommt das Richtungsverhalten eines Mikrofons bei verschiedenen Frequenzen mit Hilfe eines Drehtellers dazu.

Bei allen absoluten Messungen (d.h. solche, die nicht in % oder dB ausgedrückt werden) unterscheiden sich die Einheiten von digitalen MEMS-Mikrofonen gegenüber analogen Mikrofonen. Während für letztere die Empfindlichkeit in mV/Pa oder dBV/Pa ausgedrückt wird, ist die Einheit für digitale Mikrofone dBFs. Dies steht für „Dezibel unter Vollaussteuerung“ und beschreibt die Differenz der Aussteuerung eines digitalen Mikrofons bei 94 dBSPL (1 Pa) bis zur maximalen digitalen Aussteuerung dieses Mikrofons. Dieser Punkt der maximalen digitalen Aussteuerung wird auch als AOP (Acoustic Overload Point) bezeichnet.

Akustische vs. digitale Betrachtung

Das Testen von einzelnen MEMS-Mikrofonen ist eher ungewöhnlich. In den meisten Fällen werden sämtliche auf einer Leiterplatte bestückten MEMS-Mikrofone getestet. Zur Charakterisierung dieses Moduls ist es von Interesse, wie sich Werte der bestückten MEMS-Mikrofone relativ zueinander verhalten. Ein typischer Parameter ist die „Empfindlichkeits-Spanne“, d.h. die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten Empfindlichkeit aller bestückten MEMS-Mikrofone auf der Leiterplatte.


Besonderheiten von digitalen MEMS-Mikrofonen

Digitale MEMS-Mikrofone liefern Daten im ½-Cycle-PDM-Format. Das Mikrofon benötigt dazu einen CLK-Eingang und liefert seine Daten über einen DATA-Ausgang. Jeweils zwei Mikrofone teilen sich eine Datenleitung. Daher ist jedes Mikrofon entweder als "linkes" oder "rechtes" Mikrofon konfiguriert. Dies erfolgt durch eine Verdrahtung des L/R-Eingangs mit Vdd oder Masse. MEMS-Mikrofone werden meist mit 1,8 V oder 3,3 V Speisespannung versorgt.

Im normalen Betrieb schreibt das linke Mikrofon bei jeder steigenden Flanke des Taktsignals ein Datenbit, während das rechte Mikrofon bei jeder fallenden Flanke ein Datenbit schreibt. Während ein Mikrofon Daten schreibt, versetzt das andere seine DATA-Ausgangs-Pin in einen „High-Impedance“ Zustand. Auf dem DSP, der die Daten empfängt, werden die linken und rechten Signaldaten dann wieder getrennt und zu zwei Audio Signalen geformt.

Normalbetrieb von zwei digitalen MEMS-Mikrofonen


Aber was passiert, wenn eines der beiden Mikrofone fehlerhaft bestückt ist oder ganz fehlt?

Betrieb mit einem funktionsunfähigen bzw. nicht bestückten MEMS-Mikrofon

In diesem Beispiel fehlt das rechte Mikrofon, weshalb nur das linke Mikrofon in die gemeinsame Datenleitung schreibt. An den fallenden Flanken versetzt das linke Mikrofon seine DATA-Leitung in einen hochohmigen Zustand. Daher behält die DATA-Leitung den gleichen Zustand bei, wie er zuvor vom linken Mikrofon geschrieben wurde. Aus der Perspektive des empfangenden DSP scheint das rechte Mikrofon somit die genau gleichen Daten zu liefern wie das linke Mikrofon, d.h. die beiden Datenströme sind identisch! Das Testsystem muss diesen Zustand erkennen, da dies einen grundlegenden Fehler beim Testen einer MEMS-Array-Leiterplatte darstellt.

Die zum Betrieb digitaler MEMS-Mikrofone verwendeten Taktfrequenzen liegen typischerweise zwischen einigen hundert kHz und 3 MHz. Eine niedrigere Taktrate bedeutet einen geringeren Stromverbrauch, aber auch eine geringere Audioqualität.

Um die Integrität des digitalen Signals zu gewährleisten wird empfohlen, die Abstände zwischen digitalen MEMS-Mikrofonen und dem Audio-Testsystem so kurz wie möglich zu halten. MEMS Mikrofone sind nicht dafür ausgelegt, ihre Signale über ein langes Kabel mit hoher Kapazität zu transportieren.

Die empfohlene NTi Audio-Lösung

Das Messsystem zum Testen digitaler MEMS-Mikrofone besteht aus einem Audio-Analysator, einer NTi Audio-MEMS-Interface Box, einem Referenzlautsprecher und einem Referenzmikrofon. Das System wird von einer PC-Software gesteuert.

Testsystem zur Messung einer 6-MEMS-Mikrofon-Array-Leiterplatte


Der FX100 Audio Analysator

Der FX100 generiert die Testsignale für den Referenzlautsprecher und analysiert die von den MEMS-Mikrofonen sowie vom Referenzmikrofon kommenden Signale. Abhängig von der Anzahl der MEMS-Mikrofone und den zeitlichen Anforderungen können zusätzliche parallele Kanäle oder Eingangsumschalter verwendet werden.


NTi Audio MEMS Mic Interface Box

MEMS Mic Test Box

NTi Audio MEMS Mic Interface Box

Dieses Gerät bietet eine Schnittstelle zum parallelen Anschluss von bis zu 8 digitalen MEMS-Mikrofonen. Jedes MEMS-Mikrofonsignal wird zu einem symmetrischen analogen Audiosignal konvertiert und zu einem eigenen Ausgangstecker geleitet. Die MEMS-Mikrofonbox versorgt die Mikrofone mit 1,8 V oder 3,3 V und ermöglicht die Auswahl zwischen verschiedenen Taktfrequenzen. Nicht bestückte oder defekte MEMS-Mikrofone werden durch LEDs auf der Box zuverlässig erkannt und angezeigt. Die MEMS-Mikrofonbox kommuniziert über eine USB-Schnittstelle mit dem PC.


Der Referenzlautsprecher

Dieser muss genügend Bandbreite und Schalldruck bieten, um die geforderten Testparameter abzudecken. Es wird empfohlen, einen koaxialen Lautsprecher (Punkt-Schallquelle) zu verwenden, um eine gleichmässige Schallverteilung zu erreichen.


Das Referenzmikrofon

Mit dem Referenzmikrofon wird der Schalldruckpegel vom Lautsprecher zum Zeitpunkt der Messung bestimmt. Mit dieser Information lässt sich eine Abweichung oder Drift vom Referenzlautsprecher kompensieren.


Die Software

Für EOL-Tests (End Of Line) von digitalen MEMS-Mic-Array-Leiterplatten ist die RT-Mic-Software die ideale Wahl. Sie bietet eine einfache Konfiguration, geführte Abläufe für Kalibrierung, Referenzdaten-Erfassung und Limit-Berechnung. Jedes MEMS Mikrofon wird charakterisiert und anhand von Gut/Schlecht-Kriterien beurteilt. Die Ergebnisse der einzelnen MEMS-Mikrofone werden in ein Gesamtergebnis zusammengefasst.

RT-Mic QC Software


Optionen & Zubehör

Messung und Protokollierung der Temperatur, relativen Luftfeuchtigkeit und des Luftdrucks über einen Umgebungssensor.

Einlesen der Seriennummer des Prüflings mit Hilfe eines Barcodescanners.

Bestimmung der Richtcharakteristik eines einzelnen MEMS-Mikrofons mit einem Drehteller.

Vorteile

  • Schließen Sie bis zu 8 MEMS-Mikrofone an. Dies umfasst alle MEMS-Array-Module, die für intelligente Geräte, Automobil-Anwendungen usw. verwendet werden.
  • Zuverlässige, schnelle und exakte Messung aller relevanten akustischen Parameter der einzelnen MEMS-Mikrofone und sowie des kompletten Modules.
  • Integrierte Erkennung von nicht funktionsfähigen oder fehlenden MEMS-Mikrofonen.
  • Schlüsselfertige Lösung für End-of-Line Testanwendungen.
  • Wählbare MEMS-Mikrofon-Spannungsversorgung und Taktfrequenz.

Konfiguration

Audio Analysator Flexus FX100

Digitales MEMS Mikrofon-Test-System

beinhaltet

  • Audio Analysator Flexus FX100
  • Messmikrofon M2010
  • RT-Mikrofon Software für Flexus
  • MEMS Mic Interface Box

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