デジタルMEMSマイクロホンアレイの品質管理

MEMS Mic

デジタルMEMS(MicroElectroMechanical System)マイクロホンは、一般のデバイスだけでなく、車や産業用途にも使われる部品です。デジタルMEMSマイクロホンは、音響センサーとAからDコンバーターを1つのチップに統合しています。これにより、PCB(基板)上で非常にコンパクトに配置でき、マイクロホンを直接信号プロセッサに接続できます。

音声認識アプリが増えているため、デジタルMEMSマイクロホンはアレイとして使われることがよくあります。問題なく動作させるためには、アレイ内の各マイクロホンの絶対仕様値だけでなく、相対的な値もテストする必要があります。このページでは、デジタルMEMSマイクロホンを音響テストシステムに接続し、信頼性の高い品質管理手順のために重要なパラメータをどのように測定するかを説明します。

特長

  • デジタルMEMSマイクロホンの単体またはアレイに対する測定に利用可能
  • NTi Audioのマイクロホンテストソリューションに簡単に組み込み可能
  • 異なる電圧供給と動作クロック周波数を提供

テストの対象

デジタルMEMSマイクロホンの音響パラメータをテストするには、デジタル信号を直接オーディオアナライザーシステムに接続するか、別の形式(たとえば、アナログ)に変換する必要があります。品質管理(QC)テストの対象となる典型的なパラメータは、他のほとんどのマイクロホンのテストと同じです。感度、周波数応答、歪み、そして時折、信号対雑音比(SNR)が含まれます。一般的には、研究室環境で実施される完全なマイクロホンの特性評価では、EIN(等価入力ノイズ)、PSR(電源供給の拒絶比)、PSRR(電源供給の拒絶比率)、およびダイナミックレンジなどのパラメータが測定または計算されます。オプションとして、マイクロホンの方向性の挙動を異なる周波数で測定するためには、ターンテーブルを使用することができます。

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

単体のMEMSマイクロフォンのテストはほとんど行われません。ほとんどの場合、MEMSマイクロフォンは複数搭載されたPCB上でテストされます。PCBの性能を評価する際に注目されるのは、搭載されたMEMSマイクロフォンがお互いにどのように動作するかです。典型的なパラメータには「感度スパン」があります。これは、搭載されたMEMSマイクロフォンで測定された最高感度と最低感度の差を示します。


デジタルMEMSマイクロホンの特長

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

この例では、右のマイクロホンが欠落しているため、データラインに書き込むのは左のマイクロホンだけです。立ち下がりのエッジでは、左のマイクロホンがDATAラインを高インピーダンス状態にするため、DATAラインは以前に左のマイクロホンによって書き込まれた状態を維持します。その結果、受信するDSPから見ると、右のマイクロホンが左のマイクロホンとまったく同じデータを提供しているように見えます。つまり、2つのデータストリームは同一です。この問題はテストシステムで対処する必要があります。MEMSアレイPCBをテストする際には、欠落したマイクロホンを検出することが基本的な機能です。

デジタルMEMSマイクロホンを動作させるために使用されるクロック周波数は通常数百kHzから3MHzまでです。低いクロックレートは低い電力消費を意味しますが、同時に音質も低くなります。

デジタル信号の安定性を確保するためには、デジタルMEMSマイクロホンとオーディオテストシステムの距離を短く保つことがおすすめです。これらのマイクロホンは単に長い高容量のケーブルを駆動するためには設計されていません。

NTi Audioが推奨するソリューション

デジタルMEMSマイクロホンアレイをテストする基本的な測定システムには、オーディオアナライザ、NTi Audio MEMSインターフェースボックス、基準スピーカー、そして基準マイクロホンが必要です。このシステムはPCソフトウェアで制御されます。

6つのMEMSマイクロホンが配置されたPCBを測定するためのテストセットアップ


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 マイクロホン インターフェース ボックス

MEMS Mic Test Box

MEMSマイクロホンボックス

最大8つのデジタルMEMSマイクロホンを同時に接続できるボックスです。各MEMSマイクの信号は変換され、バランスの取れた音声出力に送られます。このボックスはマイクロホンに1.8Vまたは3.3Vの電源を供給し、異なるクロック周波数を選択することができます。接続されていないか動作しないMEMSマイクロホンは、ボックス上のLEDで簡単に検出でき、ボックスはUSB経由でPCと通信します。


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

デジタルMEMSマイクロホンアレイPCBのエンドオブライン(EOL)テストには、RT-Micソフトウェアが最適です。このソフトウェアは使いやすい設定、キャリブレーションのためのガイドつきワークフロー、基準データの収集、そしてリミットの計算を提供します。各マイクロホンはPASS/FAILの基準に対して測定され、判定されます。個々のMEMSマイクロホンテストの結果は、総合的なデバイスアンダーテスト(DUT)の結果としてまとめられます。

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

  • 最大8つのMEMSマイクロフォンを接続できます。これは、スマートデバイス、自動車アプリケーションなどに使用されるすべてのMEMSアレイ基板を対象としています
  • 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
  • MEMSマイクロフホンの動作不良または欠落の検出
  • 生産ライン(EOL)検査向けターンキーソリューション
  • MEMSマイクロホンの電圧供給とクロック周波数は選択可能です

オーダー情報

Flexus FX100 Audio Analyzer

デジタルMEMSマイクロホンアレイ テストシステム

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 マイクロホン インターフェース ボックス

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