MEMS 마이크 배열 소개
MEMS 또는 마이크로 전자 기계 시스템은 몇 마이크로 미터에서 밀리미터까지 미세한 수준의 전기 및 기계 부품을 결합하는 작은 장치입니다.이 시스템은 센서, 액추에이터 및 마이크로 일렉트로닉스를 사용하여 마이크로 가공 기술을 통해 작고 복잡한 장치를 생성합니다.MEMS 기술의 핵심은 기어, 스프링 및 힌지와 같은 기계적 요소를 단일 실리콘 칩에 전자 회로와 통합 할 수있는 기능입니다.이러한 통합으로 인해 MEMS 장치는 거시적 규모로 통신하면서 마이크로 스케일로 감지, 제어 및 작동 할 수 있습니다.이 기사는 소비자 전자 제품에서 건강 관리에 이르기까지 다양한 분야에서 MEMS의 주요 역할을 탐구합니다.MEMS 장치는 자동차 및 통신 시스템에 사용되는 MEMS 마이크 배열과 같은 혁신으로 전통적인 기술을 변경했습니다.
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그림 1 : MEMS (Microelectromechanical Systems) 마이크 배열
현대 기술에서 MEM의 역할
MEMS 기술은 유연하고 작고 에너지 효율적이며 비용 효율적이기 때문에 많은 산업의 수요입니다.MEM이 현대 기술에서 사용되는 방법은 다음과 같습니다.
소비자 전자 장치
MEM은 소비자 전자 제품에 유용하여 스마트 폰, 태블릿 및 게임 콘솔과 같은 장치의 모션 감지 및 이미지 안정화와 같은 기능을 가능하게합니다.이 분야의 일반적인 MEMS 장치에는 자이로 스코프 및 가속도계가 포함됩니다.
자동차 산업
자동차 부문에서 MEMS는 안전과 기능을 모두 향상시킵니다.에어백 센서, 타이어 압력 모니터링 시스템 및 차량 안정성 제어 시스템에 사용되어 안전 및 성능 향상에 기여합니다.
의료
MEMS 기술은 의료 기기를 변화시키고 있습니다.예를 들어 진단을위한 실험실 온 칩 장치, 이식 가능한 약물 전달 시스템 및 최소 침습적 절차를 가능하게하는 고급 수술 도구가 포함됩니다.
산업 응용 분야
산업 환경에서 MEMS 센서는 온도, 압력 및 진동과 같은 조건을 모니터링합니다.이 모니터링은 예측 유지 보수를 지원하고 시스템 효율성을 향상시킵니다.
통신
MEMS는 광학 스위치 및 가변 커패시터와 같은 장치를 향상시켜 신호 라우팅 및 네트워크 성능을 관리하는 데 좋습니다.
환경 모니터링
MEMS 기반 센서는 공기 및 수질을 포함한 환경 조건을 모니터링하고 유해 가스를 감지합니다.작은 크기와 효율성은 다양하고 종종 원격 위치에서 배포에 적합합니다.
그림 2 : MEMS 장치
MEMS 마이크 어레이의 구성 및 작동
아래에서 MEMS 마이크 배열의 구조, 사운드 처리 방법 및 신호 조합 기술을 탐구합니다.
배열 구조에 대한 설명
MEMS 마이크 어레이는 함께 작동하기 위해 위치한 여러 마이크로 구성됩니다.각 마이크는 반도체 제조 기술을 사용하여 만든 기계 및 전자 부품이있는 작은 장치입니다.이 마이크는 사운드를 전기 신호로 변환합니다.
배열의 구성은 선형, 원형 또는 평면 형성과 같은 패턴으로 배열 될 수 있습니다.이 설정은 배열의 방향성과 감도에 영향을 미쳐 특정 방향에서 사운드를 캡처하면서 다른 방향을 무시할 수 있습니다.이 배열의 결합 된 전기 출력은 단일 고품질 오디오 신호를 형성하기 위해 처리됩니다.
그림 3 : MEMS 마이크 배열 시스템
배열 프로세스 사운드
MEMS 마이크 배열의 사운드 처리에는 개별 마이크에서 신호를 증폭, 지연 및 필터링해야합니다.각 단계는 특정 목적을 제공합니다.
• 증폭은 마이크에서 약한 신호를 향상시켜 추가 처리를 위해 충분히 강해집니다.
• 지연 지연은 물리적 분리로 인해 다른 시간에 다른 마이크로 캡처 한 사운드를 동기화합니다.이 동기화는 정확한 사운드 현지화 및 빔 포밍에 좋습니다.
• 필터링은 원하는 출력에 따라 다른 주파수를 억제하면서 특정 주파수를 향상시킵니다.예를 들어, 음성 선명도에 중요한 고주파 노이즈 또는 부스트 주파수를 제거 할 수 있습니다.
그림 4 : 배열 및 디지털 사운드
신호를 결합하는 기술 과정
MEMS 마이크 배열의 신호를 결합하는 것은 빔 포밍으로 알려진 배경 노이즈를 줄이고 원하는 사운드를 향상시키는 정교한 프로세스입니다.BeamForming은 사운드 파의 마이크 배열과 차동 타이밍 (지연)을 사용하여 원치 않는 노이즈의 간섭을 최소화하는 사운드 소스에 어레이의 감도를 집중시킵니다.
이 프로세스에는 각 마이크 출력에 대한 가중치를 계산하여 각 신호가 최종 출력에 얼마나 많은 기여를 해야하는지 결정합니다.무게는 음파의 방향과 음향 환경에 따라 조정됩니다.이러한 가중 신호를 결합하여 배열은 간섭을 줄이면서 특정 방향에서 사운드 캡처를 향상시키는 방향 초점을 만듭니다.
적응 형 필터링과 같은 고급 신호 처리 기술은 사운드 환경의 변화에 대한 응답으로 처리 매개 변수를 동적으로 조정합니다.이 적응성을 사용하면 MEMS 마이크 어레이가 조용한 스튜디오에서 시끄러운 야외 환경에 이르기까지 다양한 설정에서 최적의 성능을 유지할 수 있습니다.
그림 5 : MEMS 마이크 배열
신호 대 잡음비 (SNR)의 중요성
SNR (Signal-t-Noise Ratio)은 오디오 기술에서 중요한 척도입니다.원하는 신호의 레벨을 데시벨 (DB)으로 표현한 배경 노이즈 수준과 비교합니다.SNR이 높을수록 노이즈가 적은 오디오 신호가 더 명확 해지고 SNR이 낮을수록 배경 노이즈가 더 많아 오디오 품질이 저하됩니다.
SNR은 스마트 폰 및 헤드폰부터 전문 레코딩 장비에 이르기까지 많은 오디오 장치에 사용됩니다.고품질 오디오 시스템에서 높은 SNR은 오디오 출력이 최소한의 백그라운드 노이즈와 함께 원래 녹음에 매우 가깝다는 것을 의미합니다.작은 소음이 오디오 품질에 크게 영향을 줄 수 있기 때문에 스튜디오 녹음에 유용합니다.
통신 시스템에서 SNR은 명확성을 요구합니다.예를 들어, 시끄러운 환경에서 SNR이 열악한 장치는 불분명 한 오디오를 생성하여 사용자가 서로를 이해하기가 어렵습니다.따라서 높은 SNR을 유지하는 것이 오디오 기술을 설계하고 개발하는 데 주요 목표입니다.
그림 6 : 신호 대 잡음비 (SNR)
MEMS 마이크 배열이 원치 않는 소음을 줄임으로써 SNR을 향상시키는 방법
빔 포밍
MEMS 마이크 어레이는 빔 포밍을 통해 SNR을 향상시킵니다.이 기술은 여러 마이크의 신호를 처리하여 집중적이고 방향 적 반응을 만듭니다.특정 방향에서 사운드를 캡처하고 다른 방향에서 노이즈를 최소화함으로써 Smart 스피커 및 컨퍼런스 시스템과 같이 사운드 소스가 고정되고 알려진 설정에 효과적입니다.
소음 취소
SNR을 개선하는 또 다른 방법은 노이즈 취소입니다.배열 내의 다른 마이크의 오디오 신호를 비교함으로써 시스템은 원치 않는 노이즈를 감지하고 무효화 할 수 있으므로 원하는 신호의 선명도를 향상시킬 수 있습니다.이 기능은 시끄러운 공공 장소에서 자주 사용되는 소비자 전자 제품에 유용합니다.
공간 필터링
MEMS 마이크 어레이는 또한 공간 필터링에서 탁월하며, 이는 다양한 위치에서 소리를 분리합니다.이것은 배경 노이즈를 줄일뿐만 아니라 전반적인 오디오 캡처 품질을 향상시킵니다.이러한 기능은 MEMS 어레이가 복잡한 음향 환경에 이상적입니다.
브로드 사이드 마이크 어레이
브로드 사이드 마이크 배열은 음원에 수직 인 1 ~ 2 차원으로 배열됩니다.이 설정은 예측 가능한 사운드 방향이있는 환경에서 효과적이므로 측면 노이즈를 무시하면서 시스템이 전면의 사운드에 초점을 맞출 수 있습니다.물리적 배열은 모든 마이크가 의도 된 방향으로부터 동시에 사운드를 받도록하여 건설적인 신호 요약으로 이어집니다.그러나 다른 방향에서 도착하는 소리는 다른 도착 시간으로 인해 위상 불일치를 경험하여 합산이 약하고 출력이 줄어 듭니다.이 구성은 컴퓨터 모니터 또는 TV 화면과 같은 장치에 이상적이며 디스플레이 영역에서 직접 사운드에 중점을 두어 청각 경험을 향상시킵니다.
그림 7 : 브로드 사이드 마이크 배열
엔드 파이어 마이크 어레이
엔드 파이어 마이크 배열은 사운드의 방향을 따라 선형으로 마이크를 위치시킵니다.이 설정은 사운드 전파의 자연 시간 지연을 활용하며, 각 마이크는 약간 지연된 간격으로 사운드를 캡처합니다.이러한 지연은 전자적으로 조정되어 신호를 동기화하여 원하는 사운드의 요약을 향상시킵니다.엔드 파이어 어레이는 전면에서 사운드를 분리하는 데 탁월하며 후면을 포함한 다른 방향에서 소음을 줄입니다.이 방향 초점은 대중 연설이나 공연에 사용되는 마이크와 같은 핸드 헬드 장치에 적합하며, 특정 사운드 소스를 대상으로하고 주변 소음에서 분리 할 수 있습니다.
그림 8 : 브로드 사이드 마이크 어레이 대 엔드 파이어 마이크 배열
MEMS 마이크 배열의 작동 원리
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 마이크 배열은 미세 가입 기술을 사운드 엔지니어링과 결합하여 고급 장치입니다.이 배열은 몇 가지 핵심 기능, 즉 사운드 캡처, 신호 처리 및 노이즈 감소를 기반으로 작동합니다.
여러 마이크를 통한 사운드 캡처
MEMS 마이크 어레이는 여러 공간 분포 마이크를 사용하여 음향 환경을 샘플링합니다.각 마이크는 음파를 전기 신호로 변환하여 시스템이 다양한 방향에서 오디오를 수집 할 수 있습니다.이 설정은 사운드의 원점과 특성을 감지 할 때 배열의 정확도를 향상시킵니다.공간 분포는 사운드 현지화 및 빔 포밍과 같은 광범위한 사운드 필드 작업을 캡처해야합니다.Beamforming은 다른 사운드 소스로 배열의 감도를 지시하면서 다른 사운드 소스로 지시합니다.
디지털 신호 처리 (DSP)
사운드를 캡처 한 후, 각 마이크의 전기 신호는 DSP 시스템에 의해 처리된다.이 시스템은 원시 데이터를 분석하는 MEMS 마이크 배열의 계산 중심입니다.DSP 알고리즘은 여러 마이크의 신호를 합성하여 응집력있는 사운드 맵을 만듭니다.각 신호를 시간에 스탬프하면 시스템은 공간을 통한 사운드의 방향과 궤적을 정확하게 결정할 수 있습니다.
그림 9 : 디지털 신호 처리 블록 다이어그램
노이즈 필터링 및 사운드 향상
DSP는 또한 배경 노이즈를 필터링하고 원하는 사운드를 명확하게하여 오디오 품질을 향상시킵니다.노이즈 억제, 에코 취소 및 게인 제어와 같은 기술은 오디오 충실도를 향상시키기 위해 사용됩니다.이러한 프로세스는 원격 회의 시스템, 보청기 및 스마트 폰 음성 어시스턴트와 같은 명확한 사운드 재생산이 필요한 응용 프로그램에 가장 좋습니다.
MEMS 마이크 유형
그림 10 : MEMS 전 방향 마이크
전 방향 마이크
MEMS 전 방향 마이크는 모든 방향에서 사운드를 균일하게 포착합니다.이것은 특정 방향의 소리에 중점을 둔 방향성 마이크와 차별화됩니다.MEMS 전 방향 마이크는 MEMS 기술로 만든 작은 다이어프램을 사용합니다.이 다이어프램은 모든 방향에서 음파를 감지하고 마이크를 적응력이 높게 만듭니다.작은 크기와 일관된 성능을 통해 다양한 장치에 쉽게 통합 할 수 있습니다.
이 마이크는 사운드 소스가 여러 방향으로 이동하거나 오는 설정에서 뛰어납니다.예를 들어, 회의실에서 사람들은 테이블 주변의 방향에서 말할 수 있습니다.전 방향 마이크는 명확한 음성 캡처를 보장하여 통신 및 기록을 향상시킵니다.
음성 활성화 조수와 같은 스마트 홈 장치는 방의 어느 곳에서나 명령을 선택해야합니다.마찬가지로, 보안 시스템은 이러한 마이크에 의존하여 경고를 유발하는 사운드를 감지하여 포괄적 인 사운드 캡처로부터 이익을 얻습니다.
그림 11 : MEMS 방향 마이크
방향성 마이크
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 방향 마이크는 특정 방향의 사운드에 초점을 맞추고 원치 않는 노이즈를 최소화하여 오디오 선명도를 향상시키는 데 중요합니다.이 기술은 대상 영역에 대한 감도를 향상시키기 위해 함께 작동하는 작은 마이크 배열을 사용합니다.이 접근법은 통신 및 보청기에 유용합니다.
통신에서 MEM은 방향성 마이크가 특정 방향에서 소리를 분리하고 증폭시켜 주변 소음에도 불구하고 명확한 대화를 보장합니다.이것은 바쁜 거리 나 혼잡 한 사무실과 같은 시끄러운 곳에서 기능적입니다.스피커의 목소리에 초점을 맞추고 배경 노이즈를 차단하는이 마이크는 더 명확하고 이해하기 쉬운 오디오를 제공하여 사용자 경험을 향상시킵니다.
고급 보청기는 이러한 마이크를 사용하여 사용자가 직면 한 기본 사운드 소스에 중점을 두어 청각 환경의 변화에 최적의 성능을 유지하기 위해 적응합니다.
MEMS 방향성 마이크는 또한 정교한 신호 처리 알고리즘을 통합합니다.이 알고리즘은 다양한 각도에서 사운드를 분석하고 원하는 방향에서 사운드 파를 선택적으로 증폭시킵니다.이 고급 기술은 마이크 성능을 향상시킬뿐만 아니라 스마트 폰 및 보청기와 같은 소형 기기에 적합한 소규모 장치로의 통합을 허용합니다.
장점
전 방향 및 방향성 MEMS 마이크는 다양한 상황에 고유 한 이점을 제공합니다.방향성 마이크는 주요 사운드 소스를 분리하여 보청기 성능을 향상시켜 시끄러운 환경에서 뛰어납니다.전 방향 마이크는 조용한 설정에 더 좋습니다. 여러 방향에서 사운드를 캡처하여 모니터링 시스템에 적합합니다.최신 보청기는 종종 두 가지 유형을 결합하여 수동 또는 자동 조정이 다양한 주변 사운드에 적응할 수 있도록합니다.
디지털 MEMS 마이크의 특징
Digital MEMS 마이크는 1/2 사이클 펄스 밀도 변조 (PDM) 형식으로 데이터를 전달하여 클록 입력 (CLK)과 데이터 출력 (데이터) 라인 간의 동기화가 필요합니다.단일 데이터 라인은 L/R 입력 핀을 VDD 또는 접지로 설정하여 "왼쪽"또는 "오른쪽"으로 지정된 두 마이크간에 공유됩니다.이 장치는 1.8V 또는 3.3V 공급 장치로 구동됩니다.
작동 중에 "왼쪽"마이크는 CLK의 상승 가장자리에 데이터와 하락 가장자리에 "오른쪽"에 데이터를 씁니다.오른쪽 마이크가 실패하거나 없으면, 왼쪽 마이크는 계속 상승 에지에 데이터를 작성하고 떨어지는 가장자리에서 고 임피던스로 전환합니다.이로 인해 데이터 라인은 왼쪽 마이크의 출력 만 반영하여 DSP가 두 채널에 대해 동일한 데이터를 수신하므로 오류가 발생합니다.이러한 문제를 피하려면 철저한 테스트가 필요합니다.수백 kHz에서 3MHz 범위의 클록 주파수는 전력 소비 및 오디오 품질에 영향을 미칩니다.짧은 케이블 거리는 디지털 신호 무결성을 유지하고 긴 고음용 케이블로 인해 손실을 최소화하는 데 도움이됩니다.
다중 MEMS 마이크
장치에서 여러 MEMS 마이크를 사용하면 오디오 캡처 기능이 향상됩니다.함께 작동하는 몇몇 마이크는 자동차와 같은 시끄러운 환경이나 모바일 통화 중에 높은 오디오 품질을 유지하기 위해 신호 대 잡음비 (SNR)를 향상시킵니다.멀티 미크로폰 설정은 Beamforming과 같은 고급 기능을 지원합니다.
여러 MEMS 마이크를 통합하면 테스트 및 검증 문제가 발생합니다.엔지니어는 마이크 배열의 위상 정렬 및 동기화를 보장하기 위해 멀티 채널 측정을 수행해야합니다.오디오 출력을 개선하려면 DSP 알고리즘에는 정확한 테스트가 필요합니다.엄격한 프로세스와 고급 테스트 장비는 이러한 시스템을 안정적으로 작동하고 고품질 사운드를 생성하도록합니다.
결론
MEMS 기술은 현대 혁신의 주요 부분으로 많은 시스템의 품질과 기능을 향상시킵니다.예를 들어, MEMS 마이크는 소비자 전자 제품의 오디오를 향상시키고 자동차의 안전성을 향상시킵니다.이 장치는 신호 선명도를 향상시키고 고품질 사운드를 제공하며 노이즈를 줄입니다.디지털 MEMS 마이크의 생성은이 기술이 정밀, 효율성 및 신뢰성으로 오늘날의 장치의 요구를 충족시키기 위해 어떻게 발전하고 있는지 보여줍니다.MEMS 기술이 계속 발전함에 따라 현재와 미래의 기술을 더 좋게 만드는 데 계속 중요 할 것입니다.
자주 묻는 질문 [FAQ]
1. 마이크 어레이는 실제 마이크입니까?
예, 마이크 어레이는 실제로 실제 마이크 모음입니다.다른 방향에서 사운드를 캡처하기 위해 배치 된 여러 마이크 장치로 구성됩니다.이 구성을 통해 배열은 노이즈 감소 및 방향성과 같은 복잡한 오디오 처리 작업을 수행하여 단일 마이크에 비해 사운드 캡처 품질을 향상시킬 수 있습니다.
2. 스테레오 믹스와 마이크 배열의 차이점은 무엇입니까?
"스테레오 믹스"및 "마이크 배열"이라는 용어는 사운드 처리의 여러 측면을 나타냅니다.스테레오 믹스는 모든 오디오 입력과 출력을 단일 스테레오 트랙으로 결합한 컴퓨터 사운드 카드의 기능으로 다양한 소스에서 결합 된 오디오를 동시에 기록하거나 스트리밍 할 수 있습니다.반면, 마이크 배열에는 여러 마이크가 함께 작동하여 오디오를 녹음하기 위해 공간 사운드 정보를 캡처하고 오디오 소스를 백그라운드 노이즈에서 분리하여 음질을 향상시키는 데 사용됩니다.
3. MEMS 마이크가 아날로그입니까 아니면 디지털입니까?
MEMS (Microelectromechanical Systems) 마이크는 아날로그 또는 디지털 일 수 있습니다.유형은 생성 된 오디오 신호의 출력 형식에 따라 다릅니다.아날로그 MEMS 마이크를 출력 오디오 신호를 아날로그 파로 출력하여 디지털 신호로의 전환을 위해 추가 회로가 필요합니다.그러나 디지털 MEMS 마이크에는 사운드를 디지털 신호로 직접 변환하는 통합 회로가 포함되어 디지털 장치와의 연결성을 단순화합니다.
4. MEMS 마이크를 어떻게 테스트합니까?
MEMS 마이크를 테스트하면 올바르게 작동하는지 확인하기위한 몇 가지 단계가 필요합니다.
연결 확인 : 먼저, 마이크가 테스트 장치 (컴퓨터 또는 분석기와 같은)에 올바르게 연결되어 있는지 확인하십시오.
육안 검사 : 성능에 영향을 줄 수있는 물리적 손상을 확인하십시오.
사운드 테스트 : 표준 음원을 사용하거나 마이크에 말하면 선명도와 볼륨을 확인하십시오.소프트웨어 도구 또는 전용 오디오 테스트 장치는 음질을 분석하고 왜곡 또는 소음과 같은 문제를 감지 할 수 있습니다.
기능 테스트 : 진단 소프트웨어를 사용하여 다양한 주파수와 사운드 레벨에서 마이크의 응답을 확인하는 기능 테스트를 실행합니다.
5. MEMS 마이크의 전압은 무엇입니까?
MEMS 마이크의 작동 전압은 특정 모델과 제조업체에 따라 1.5 ~ 3.6 볼트 사이입니다.올바른 작동 전압을 확인하고 애플리케이션의 전원 공급 장치 사양과 일치하는지 확인하기 위해 사용중인 특정 MEMS 마이크 모델의 기술 데이터 시트를 참조하는 것이 중요합니다.