Cs.Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 117. Bolhából mikrofont!

Amikor az első tranzisztort megalkották, még nem sejtették, hogy a fejlődés milyen rohamos lesz. De nincs még egy találmány az emberiség történetében, ami akkora karriert futott volna be, mint a tranzisztor, és annyira megváltoztatta volna világunkat. Hiszen az első tranzisztor még nagyon nagy volt, és nem is rétegszerkezetű.

be02

A parányítás abba a világba visz el bennünket, amikor egy szerkezet mechanikája és elektronikája már alig választható el egymástól. Olykor nem is kötik a gyártók az orrunkra, hogy egy tokon belül nemcsak elektronikus, hanem mechanikus alkatrészek is vannak. A MEMS (micro-electromechanical systems, magyarul mikro-elektromechanikai rendszerek) a 10 nm - 1mm nagyságú elektronikus és mechanikus alkatrészek és rendszerek világa.

A méretcsökkentés nem öncélú, nemcsak arról van szó, hogy minél több kütyü férjen el a lakásodban. Természetesen a méretcsökkentés fontos, hiszen a térfogat a hosszméretek harmadik hatványával arányos.

be03

Ez azt jelenti, hogy ha egy alkatrész mérete a tizedrészére csökken, akkor a térfogata csupán az ezredrésze lesz.

Ugyanígy változik a test súlya is. Ilyenkor példaként az egyik pici, de nagyon hatékony rovart, az emberbolhát szokták megemlíteni. Vigyázz, mindjárt jön a kép róla, élvezetes nagyításban. Gondolom legalábbis, hogy a bolhák élvezik egymás látványát.

 be04

Persze, a döglött bolha nekik se olyan szép, de amikor él, akkor az átlagosan 2 mm nagyságú rohadék 20 cm magasra tud ugrani, tehát a méretének a százszorosára. Ezzel a képességgel csupán a második a listán, mert fajtestvére, a macskabolha, még ennél is ügyesebb. Ugyanazon gravitációs feltételek mellett helyből magasugrással az ember még testméretének egyszeresét sem tudja megugrani, nemhogy a százszorosát – kb. 175 métert. A tömeg és a súly is a lineáris méretek harmadik hatványával függ össze, ez magyarázza a bolha elképesztőnek tűnő teljesítményét.

A lineáris méretek csökkentésével a felület négyzetesen, tehát a térfogathoz képest egy hatványkitevővel kisebb mértékben csökken. Egy tized akkora szerkezet felülete század akkora lesz, mint az eredeti. Ez azt jelenti, hogy a kisebb szerkezet felülete a térfogathoz képest megnövekszik, vagyis a kisebb szerkezet viszonylag nagyobb felületű lesz. Ez az oka annak, hogy a kisebb szerkezet a térfogatához képest nagyobb teljesítményekre képes, mert a viszonylag nagyobb felület miatt jobbak a hűtési viszonyok.

A lineáris méretek csökkenésével a rendszer sajátfrekvenciája növekszik. Magyarul, a kisebb rendszer gyorsabb működésre képes.

be05

A lineáris méretek csökkenésével a tehetetlenség (villamos tehetetlenség, hőtehetetlenség) is csökken. Ennek következménye szintén a gyorsabb működés. Például az írható CD-re, DVD-re, blu-ray-re az információ rögzítése a lézerdióda hőhatására történik. A nagy sebességgel haladó hőérzékeny réteget kell kb. 250 °C-os hőmérséklet fölé melegíteni. Ez azért lehetséges, mert a lézerdióda teljesítménye néhány μm területre fókuszálódik, tehát a felfűtendő felület nagyon kicsi, emiatt nagyon kicsi a hőtehetetlenség is, így nagyon gyorsan elérhető a kívánt hőmérséklet. Ezt próbáld meg egy konyhai villanyrezsóval!

Most csináljunk a bolhából elefántot!

be06

Az elefánt elején ormány van, hogy ne kezdődjék olyan hirtelen az a marha nagy állat. És milyen gyönyörűen trombitázik!

Az elefánt masszív felépítésű, és ha nem kergetik, lassan mozog. Ellentétben például a hangyával.

be07

A hangyának vékony és ehhez képest hosszú lábai vannak, amelyek segítségével igencsak fürgékeny. A hangya a testsúlyának többszörösét is képes felemelni és hordozni, gyors mozdulatokkal. A hangya azért képes erre, mert kicsi a tömege, csaknem elhanyagolható. Az elefántéhoz képest mindenképpen. A földi gravitációs körülmények között elképzelhetetlen, hogy egy elefánt majdnem függőleges felületen terhet cipelve haladjon felfelé.

be08

Van hát mit tanulni a természettől – „Az ember ezt, ha egykor ellesi, / Vegykonyhájában szintén megteszi” – mondatja Madách Luciferrel Az ember tragédiája első színében.

A MEMS – mivel komplex rendszerről van szó – érzékelőket, beavatkozókat (végrehajtókat) és kommunikációs eszközöket is tartalmazhat. Hogy miket, ahhoz az emberből indulhatunk ki, hogy majd eljuthassunk az intelligens robotokig nem is oly sokára.

be09

A mobiltelefonok fejlődése azt mutatja, hogy egyre több MEMS-elemet építenek az egyre okosabb készülékekbe.

be10

Minket természetesen a mikrofonok izgatnak. (Na jó, van, ami még ennél is jobban, de most a mikrofonokról van szó, nem a szexről.) A MEMS mikrofonok egyik változata az elektret mikrofonok elvén alapul. Először egy jFET-es változatot mutatok.

be11

Tulajdonképpen itt még semmi különös nem történt, csak az akusztikus-elektromos átalakító ugyanabba a házba került, mint az impedancia illesztő és jelerősítő.

Kicsit részletesebben az alábbi ábra mutatja az átalakítót.

be12

A szerkezet alapanyaga szilícium, a membrán pedig szilícium-nitrid. Egyetlen szilícium szeleten akár több ezer mikrofon chip készülhet egyszerre.

Ez azonban még nem az igazi! Az igazi áttörést az a mechatronikai megoldás hozta, amikor a mikromechanikát a mikroelektronikával kombinálták, ezzel új minőséget hozva létre. A megoldás lényege, hogy a mikromechanikai struktúrát a FET-tel házasították. A FET gate elektródájának szerepét a membrán veszi át. A membrán a hangnyomás változásainak hatására közelebb vagy távolabb kerül, így a villamos térrel változtatni képes a source-drain áramot.

be13

Jöhet a szerkezeti rajz!

be14

A membránt ez esetben is 150 nm szilícium-nitrid, illetve 100 nm szilíciumdioxid rétegek alkotják, amelyek szigetelők, ezért a kondenzátor fegyverzetének kialakításához még egy 100 nm vastag alumínium réteg is szükséges. Ez lesz a térvezérlésű tranzisztor gate elektródája. A membrán aktív mérete 1,3x1,3 mm.

A hagyományos elektret mikrofonok és a MEMS-FET mikrofonok közötti lényeges különbség, hogy a hagyományos mikrofonok kimenő impedanciája nagy, a MEMS-FET-eké viszont kicsi, hiszen a kimenet nem az elektret átalakító, hanem a FET. Emiatt a MEMS-FET mikrofonok a környezeti zavarokra alig érzékenyek, és jól illeszkednek a további fokozatokhoz.

A Raspberry pihez például ezt a panelt ajánlják:

be15

Ez csak egy analóg cucc kb. 2 ezer forintért, de ha már a MEMS-FET mikrofonok amúgy is szilícium hordozóra, szubsztrátra épülnek, mi sem természetesebb, mint az, hogy a lapka a további fokozatokat is tartalmazza. Olyan rendszert kapunk így olcsón és kis méretben, amelyben analóg-digitális átalakító is van.

A MEMS mikrofonok gömbkarakterisztikájúak, hiszen a tok hátulról zárt. Ahhoz, hogy irányított legyen a mikrofon, nem lehet a hátsó falat megnyitni, ezért olyan trükkhöz folyamodnak, amit a mélynyomó hangsugárzók világából loptak el. Nem egyetlen mikrofont alkalmaznak, hanem mikrofon tömböket alakítanak ki.

Ennek egyik változatában két vagy több mikrofont helyeznek el egymás mellett.

be16

A másik esetben egymás mögé helyezik a mikrofonokat.

be17

A távolságok változtatásával, esetleg késleltetőkkel és fázisfordítással szinte bármilyen karakterisztika előállítható.

A MEMS mikrofonok műszaki adatai eléggé ellentmondásosak. Pontosabban, a gyártók alig adnak meg használható paramétereket. Ennek az lehet az oka, hogy a kis membránméret miatt nehéz jó jel-zaj viszonyt elérni. 2017. végén kerül forgalomba az a MEMS-FET mikrofon, amelynek analóg kimenetén 74 dB a jel-zaj viszony – viszont nem tudjuk, milyen frekvenciamenettel. Gyanús, hogy csak beszédcélokra ajánlják. Egy másik cucc átvitele 20 Hz - 80 kHz, de annál meg a jel-zaj viszony adat hiányzik.

Úgy tűnik, hogy stúdióbeli használatra a MEMS-FET mikrofon még nem elég jó, de lehet, hogy néhány év múlva ez a megállapítás már nem lesz érvényes.

MEMS mikrofont egyébként piezoelektromos és optikai átalakítóval is készítenek, például víz alatti használatra.