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Günstigere MEMS-Mikrofone
Mikroprozessoren und Speicherchips schrumpfen, da ihre Leistung zugenommen hat. Die Mikrofontechnik hinkt jedoch größtenteils hinterher. Jetzt ein in Pittsburgh ansässiges Unternehmen, Akustik , trägt dazu bei, auch diese Geräte auf den neuesten Stand zu bringen, indem Mikrofone direkt in integrierte Schaltkreise eingebaut werden.
Die Herstellung eines Mikrofons in einem Chip wird zu kleineren, kostengünstigeren Mikrofonen führen, die qualitativ hochwertigere Audiorecorder für Mobiltelefone, Kameras und Voice-over-Internet-Protokoll (VoIP)-Anrufe bieten könnten, sagt Ken Gabriel, Mitbegründer und Chef von Akustica Technikoffizier.
Seit Jahren bauen Forscher kleine Mikrofone und andere Geräte mit mechanischen und elektrischen Komponenten – Gyroskope, Beschleunigungsmesser, Drucksensoren – aus Halbleitermaterialien. Diese Geräte werden als MEMS (für mikroelektrisch-mechanische Systeme) bezeichnet. Hersteller von MEMS-Mikrofonen stellen die Geräte her, indem sie Siliziumschichten abscheiden. Dann führen die meisten einen separaten Schritt durch: das Verbinden des Mikrofons mit einem Chip, der Schaltkreise enthält, um den Ton zu manipulieren, sobald er gesammelt wurde.
Gabriel glaubt, dass der Ansatz seines Unternehmens den Prozess vereinfacht, indem das Mikrofon und die Schaltung gleichzeitig auf demselben Chip hergestellt und dieselben Materialien verwendet werden.
Der Markt für MEMS-Mikrofone wächst, insbesondere für Laptops, weil immer mehr Menschen VoIP-Dienste auf ihren Laptops nutzen, sagt Gabriel. Und er behauptet, dass das traditionelle Nicht-MEMS-Mikrofon in den meisten Laptops nicht ideal für VoIP ist.
Diese herkömmlichen Systeme bestehen aus Elektret-Kondensatormikrofonen oder ECMs sowie aus Verdrahtungen und Schaltungen, die das Audiosignal transportieren und verarbeiten. Ein ECM erfasst Ton in seiner analogen Form. Dieses analoge Signal wird an eine Schaltung gesendet, die es in digitale Informationen umwandelt. Unterwegs wird das analoge Signal jedoch durch elektrische Felder gestört, die vom Computermonitor und der WLAN-Antenne erzeugt werden. Um eine Verschlechterung der Klangqualität zu vermeiden, muss ein ECM von diesen Feldern isoliert werden. Diese Isolierung macht das System sperrig und schränkt seine Platzierung in einem Laptop ein; ECMs sind oft in der Nähe der Tastatur zu finden, ein unangenehmer Ort, um Gespräche zu führen, wenn VoIP oder Videokonferenzen verwendet werden.
Das System von Akustica ist kompakter als herkömmliche Mikrofonsysteme, da es den Ton aufnimmt und auf demselben Chip in ein digitales Signal umwandelt. Treffen Schallwellen auf die Membran des Mikrofons – ein dünnes Metallgewebe in der Mitte des Chips – vibriert es und erzeugt eine Spannung, die Informationen über das analoge Tonsignal enthält. Da das analoge Signal jedoch auf demselben Chip erzeugt und in ein digitales Signal umgewandelt wird, muss es niemals der rauen elektromagnetischen Umgebung außerhalb der Schaltung ausgesetzt sein. Da Interferenzen weniger problematisch sind, ist keine Isolierung erforderlich. Auf diese Weise können Ingenieure das Mikrofon überall platzieren, wo ein Chip in einen Laptop passt; Mehrere Akustica-Mikrofone passen sogar in die Blende, die einen Laptop-Monitor umgibt, sagt Gabriel.
Um seine Mikrofone zu bauen, hat sich das Unternehmen mit Einrichtungen zusammengetan, die andere Arten von Chips herstellen. Wie andere Chips bestehen auch Akustica aus Schichten von Halbleitermaterialien, Isoliermaterialien und Metallen. Um ein Mikrofon hinzuzufügen, modifizierten die Ingenieure das Design einiger Schichten, um eine Membran aus dem gleichen Metall herzustellen, das in der Schaltung verwendet wird. Danach, sagt Gabriel, wird der Chip nachbearbeitet, was Schritte beinhaltet, um einen Teil des Siliziums auf dem Chip wegzuätzen, um die vergrabene Metallmembran freizulegen. Diese Endbearbeitung, fügt er hinzu, kann kostengünstig und schnell erfolgen.
Da die Massenproduktion von Halbleitern relativ kostengünstig ist, könnte die Akustica-Technik die kostengünstigste Methode zum Bau eines Mikrofons werden, sagt Jonathan Bernstein, Forscher in Cambridge, MA. Tuchlabor , das mit kleinen Mikrofonsystemen funktioniert. Er fügt jedoch hinzu, dass es einen Kompromiss gibt, wenn ein Halbleiterprozess verwendet wird, um ein Gerät wie ein Mikrofon herzustellen. Ein potenziell hochwertigeres Akustiksystem könnte hergestellt werden, sagt er, wenn das Design nicht auf die gleichen Materialien beschränkt wäre, die in der Schaltung verwendet werden.
Und während die Integration eines Mikrofons in eine Schaltung für einige Anwendungen von Vorteil sein kann, ist dies für andere möglicherweise nicht erforderlich, sagt Levent Degertekin , Professor für Maschinenbau am Georgia Institute of Technology in Atlanta. Hörgerätehersteller wollen diese Fähigkeiten nicht eingebaut haben, sagt er, weil sie ihre eigenen digitalen Schaltkreise haben, die gut funktionieren. Stattdessen sei die derzeit beste Anwendung für Single-Chip-Mikrofone der Laptop-Markt.
Akustica, das 2001 aus einem Forschungsprojekt der Carnegie Mellon University hervorgegangen ist, hat Anfang dieses Jahres mit der Auslieferung seines ersten Mikrofons begonnen. Das Gerät wird derzeit in einigen Fujitsu-Laptops verwendet, und letzten Monat kündigte das Unternehmen ein zweites Produkt an, das zwei Mikrofone an einem Kabel kombiniert, um mehr Ton aufzunehmen. Es wird erwartet, dass es bis zum Jahresende in Produkten erscheinen wird.