デジタルMEMSマイクロホンアレイの品質管理

MEMS Mic

Digital MEMS (MicroElectroMechanical System) microphones are components that are used in various consumer devices as well as in automotive and industrial applications. A digital MEMS microphone combines an acoustic sensor as well as an A to D converter on one silicon chip. This requires only a very small footprint on a PCB (printed circuit board), and allows the microphones to be connected directly to a signal processor.

Due to the rapidly-growing use of voice recognition applications, digital MEMS microphones are often used in an array formation. To ensure flawless operation, the absolute specification values, and, even more important, the values of all microphones in the array relative to each other must be tested. This page explains how to interface digital MEMS microphones to an acoustic test system and how to measure the relevant key parameters for a reliable QC procedure.

特長

  • For measurements on single components or arrays of digital MEMS microphones
  • Seamless integration into NTi Audio microphone test solution
  • Provides different voltage supplies and operating clock frequencies

What to test

To test the acoustic parameters of a digital MEMS microphone, the digital signal must interface directly with the audio analyzer system, or be converted to a different format, e.g. analog. 品質管理で要求される測定パラメータは、他の多くのマイクロホンのテストと同じです。一般的に感度、周波数レスポンス、歪み、SN比(SNR)が測定されます。For a complete microphone characterization typically performed in a lab environment, parameters such as EIN (Equivalent Input Noise), PSR (Power Supply Rejection), PSRR (Power Supply Rejection Rate), and Dynamic Range are measured or calculated. Optionally, the directional behavior of a microphone at different frequencies can be measured by using a turntable.

デジタルMEMSマイクロホンで使われる単位は、アナログとは異なります。アナログマイクロホンの感度はmV/PaまたはdBV/Paで表されますが、デジタルマイクロホンではdBFS(デシベル・フルスケール)が使われます。デシベル・フルスケールは最大値を指し、94 dBSPL (1Pa)からデジタルマイクロホンの最大デジタル出力までがそのマイクロホンのヘッドルームになります。最大デジタル出力の値は、最大入力音圧レベル(AOP)と同じ意味で扱われます。

サウンドレベルとデジタルレベルの対比

Testing single MEMS microphones is very rare. In most cases, the MEMS microphones are tested on an assembled PCB containing several MEMS microphones. For characterizing the performance of that PCB, it is of interest how the assembled MEMS microphones behave relative to each other. A typical parameter is the “Sensitivity Span”; the difference between the highest and lowest sensitivity measured on the assembled MEMS microphones.


デジタルMEMSマイクロホンの特徴

デジタルMEMSマイクロホンは、½サイクルPDMフォーマットでデータを伝送します。MEMSマイクロホンはCLK入力が必要とされ、DATAからデータを出力します。そして、二つのマイクロホンでひとつのデータラインを共有します。したがって、それぞれのマイクロホンは、右または左チャンネルに設定されます。この設定はL/R入力ピンがVddまたはグランドに接続されるかによって決まります。MEMSマイクロホンの多くは、1.8 Vまたは3.3 Vで動作します。

通常動作では、左のマイクロホンはクロック信号の各立ち上りエッジで、また右のマイクロホンは各立ち下りエッジでデータビットを書き込みます。片方のマイクロホンがデータを書き込んでいる間、 もう片方のマイクロホンはハイインピーダンスモードになり、DATA出力にデータを配置します。DSPではデータを受信し、右と左の二つの信号ストリームに分割します。

二つのデジタルMEMSマイクロホンによる通常動作

しかし、二つのマイクロホンのうち、ひとつが正しく組み込まれていないか動作していない場合はどうなるでしょう?

MEMSマイクロホンのひとつに不具合がある場合

図の例では右のマイクロホンが欠けており、左のマイクロホンだけがデータラインにデータビットを書き込んでいます。立ち下りエッジでは、左のマイクロホンがハイインピーダンスモードでデータラインを配置しています。そのため、データラインは前に左のマイクロホンにより書き込まれた同じ状態を保持します。その結果、受信しているDSPでは右のマイクロホンが左のマイクロホンと全く同じように見えます。この二つのデータストリームは全く一致しています。This problem must be addressed by the test system, as detecting a missing microphone is a fundamental feature when testing a MEMS array PCB.

The clock frequencies used to operate digital MEMS microphones range typically between a few hundred kHz, up to 3MHz. A lower clock rate means lower power consumption, but also lower audio quality.

To ensure digital signal integrity, it’s recommended to keep the distances between digital MEMS microphones and the audio test system as short as possible. These microphones are simply not designed to drive a long high-capacitance cable.

NTi Audioが推奨するソリューション

The basic measurement system for testing digital MEMS mic arrays consists of an audio analyzer, an NTi Audio MEMS interface box, a reference loudspeaker and a reference microphone. The system is controlled by a PC software.

Test setup for measuring a 6 MEMS mic array PCB


FX100 オーディオアナライザ

FX100は標準スピーカーへテスト信号を出力し、MEMSマイクロホンおよび標準マイクロホンから出力される信号を解析します。測定時間を短縮させたい、またはMEMSマイクロホンの数が多い場合は、チャンネルモジュールの増設や入力スイッチャーの追加で対応できます。


NTi Audio MEMS Mic Interface box

MEMS Mic Test Box

MEMS Microphone Text Box

Provides an interface to connect up to 8 digital MEMS microphones in parallel. Each MEMS mic signal is converted and routed to a balanced audio output. The MEMS mic box provides 1.8V or 3.3V supply to the microphones and allows selecting between different clock frequencies. Not-connected or inoperable MEMS microphones are reliably detected and visualized by LEDs on the box. The MEMS mic box communicates to the PC via a USB interface.


標準スピーカー

標準スピーカーは、測定条件となる音圧レベルや周波数帯域を満たしている必要があります。また、不均一な音圧分布を避けるため同軸スピーカー(ポイントソース)の使用が推奨されます。


標準マイクロホン

標準マイクロホンは、標準スピーカーの周波数特性やドリフトを補正します。補正はスピーカーをイコライジングするか、差分として計算されます。


PCソフトウェア

For EOL (End Of Line) testing of digital MEMS mic array PCBs the RT-Mic software is the ideal choice. It offers an easy-to-handle configuration, guided workflows for calibration, reference data collection, and limit calculation. Each microphone is measured and judged against PASS/FAIL criteria. The results of the individual MEMS microphone tests are summarize in an overall DUT (Device Under Test) result.

RT-Mic EOL QC software


オプション/アクセサリ

環境センサーは、温湿度、大気圧を測定します。これらの値は測定データとともにデータログされます。

バーコードスキャナーは、被測定マイクロホンのシリアルナンバーの読み込みに使われます。ターンテーブルは、MEMSマイクロホン単体の指向性特性を測定する際に使われます。

導入効果

  • Connect up to 8 MEMS microphones. This covers all MEMS array PCBs used for smart devices, automotive applications, etc.
  • 必要とされるあらゆる音響パラメータを高速かつ正確に測定可能
  • MEMSマイクロホン単体だけでなくモジュールとしての評価が可能
  • Integrated detection of inoperable or missing MEMS microphones.
  • 生産ライン(EOL)検査向けターンキーソリューション
  • Selectable MEMS microphone voltage supply and clock frequency.

オーダー情報

Flexus FX100 Audio Analyzer

Digital MEMS Microphone Test System

セット内容

  • Flexus FX100オーディオアナライザ
  • 測定用マイクロホン M2010
  • RT-MicFXマイクロホン測定用ソフトウェア
  • MEMS Mic Interface Box

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