Hur designar man en ljudnivåmätare baserad på MEMS?
MEMS är mikroelektromekaniska system som är tillverkade med samma material (vanligtvis kisel) och etsningstekniker som används för att göra mikroelektroniska kretsar. Dessa tekniker kan bygga strukturer i mikroskala och nanoskala med hög precision och reproducerbarhet. MEMS-mikrofoner är mycket små men mycket känsliga (brusgolv vanligtvis bättre än 30dBA). Många MEMS-mikrofoner integrerar förstärknings- och digitala samplingschips på enhetsnivå (jämn chipnivå), vilket ger direkt digitala signaler och minskar kostnaderna för andra delar av systemet eller instrumentet. Dessutom eliminerar direkt integrering av analog-till-digital kretsar på enhetsnivå elektromagnetiskt brus kopplat till analoga ingångslinjer i konventionella konstruktioner.
MEMS-mikrofoner tillverkas med hjälp av en hårt kontrollerad mikroetsningsprocess, så de individuella egenskaperna hos varje MEMS-mikrofon är extremt konsekventa. De är mycket linjära (0,1 procent total harmonisk distorsion (HD) eller bättre vid 1kHz/94dB SPL) och har ett brett dynamiskt område (vanligtvis bättre än 30dBA till 120dBA). Dessutom har MEMS-mikrofoner liten känslighet för temperaturförändringar, och likaså är deras mikrofonmembran så små och tunna att de är mer än 10 gånger mindre känsliga för vibrationer än elektrostatiska mikrofoner. Dessutom är MEMS-mikrofoner allmänt tillgängliga på konsumentelektronikmarknaden, så de är också väldigt billiga. Deras känslighet förblir mycket stabil över tiden och kräver vanligtvis ingen omkalibrering för att hålla sig inom typ I-specifikationerna.
Dessa fördelar gör MEMS-mikrofoner idealiska för design. Givetvis har MEMS-mikrofoner vissa brister att kompensera för om de vill designa en effektiv ljudnivåmätare.
Eftersom MEMS-mikrofoner ger digitala signaler på enhetsnivå är det inte möjligt att ta bort den tryckkänsliga kaviteten från kretsen och testa den analoga länken isolerat. Alla relevanta standarder för ljudnivåmätare skrevs på 1970-talet och antog att ljudnivåmätardesignen bestod av ett enda mikrofonhålrum som driver en analog bearbetningskedja eller en analog-till-digital-omvandlare (ADC) följt av en digital bearbetningskedja. Detta kräver användning av elektriska signaler istället för mikrofoner för att testa ljudnivåmätare. MEMS-mikrofoner, å andra sidan, fullföljer analog-till-digital-konverteringen på enhetsnivå, vilket innebär att även om en ljudnivåmätare kan ha den prestanda som krävs för att uppfylla en standard, kan den inte testas med de metoder som anges i den standarden.
På grund av den mycket lilla storleken på kiselstrukturerna i MEMS-mikrofoner, kan även små dammpartiklar lätt komma in i mikrofonens hålighet och skada dem. Extremt höga statiska och dynamiska spänningar (typiskt över 160 dB-SPL) kan också orsaka skador på dessa små kiselstrukturer.
MEMS-mikrofoner har vanligtvis skarpa resonanser i intervallet 10kHz till 20kHz. Korrigering för denna resonans krävs så att ljudnivåmätarens frekvenssvar faller inom gränserna för lämplig standard.
