¿Cómo diseñar un sonómetro basado en MEMS?
Los MEMS son sistemas microelectromecánicos que se fabrican con los mismos materiales (generalmente silicio) y técnicas de grabado que se utilizan para fabricar circuitos microelectrónicos. Estas técnicas pueden construir estructuras a microescala y nanoescala con alta precisión y reproducibilidad. Los micrófonos MEMS son muy pequeños pero muy sensibles (el nivel de ruido suele ser mejor que 30 dBA). Muchos micrófonos MEMS integran chips de amplificación y muestreo digital a nivel de dispositivo (incluso a nivel de chip), proporcionando así señales digitales directamente y reduciendo el costo de otras partes del sistema o instrumento. Además, la integración directa de circuitos de analógico a digital a nivel de dispositivo elimina el ruido electromagnético acoplado a líneas de entrada analógicas en diseños convencionales.
Los micrófonos MEMS se fabrican mediante un proceso de micrograbado estrictamente controlado, por lo que las características individuales de cada micrófono MEMS son extremadamente consistentes. Son muy lineales (0.1 por ciento de distorsión armónica total (HD) o mejor a 1kHz/94dB SPL) y tienen un amplio rango dinámico (normalmente mejor que 30dBA a 120dBA). Además, los micrófonos MEMS tienen poca sensibilidad a los cambios de temperatura y, del mismo modo, los diafragmas de sus micrófonos son tan pequeños y delgados que son más de 10 veces menos sensibles a las vibraciones que los micrófonos electrostáticos. Además, los micrófonos MEMS están ampliamente disponibles en el mercado de la electrónica de consumo, por lo que también son muy baratos. Su sensibilidad se mantiene muy estable a lo largo del tiempo y, por lo general, no requiere recalibración para permanecer dentro de las especificaciones de Tipo I.
Estas ventajas hacen que los micrófonos MEMS sean ideales para los diseños. Por supuesto, los micrófonos MEMS tienen algunas deficiencias que compensar si quieren diseñar un medidor de nivel de sonido eficiente.
Debido a que los micrófonos MEMS proporcionan señales digitales a nivel de dispositivo, no es posible quitar la cavidad sensible a la presión del circuito y probar el enlace analógico de forma aislada. Todos los estándares relevantes para los sonómetros se escribieron en la década de 1970 y asumieron que el diseño del sonómetro consistía en una sola cavidad de micrófono que impulsaba una cadena de procesamiento analógico o un convertidor de analógico a digital (ADC) seguido de una cadena de procesamiento digital. Esto requiere el uso de señales eléctricas en lugar de micrófonos para probar los medidores de nivel de sonido. Los micrófonos MEMS, por otro lado, completan la conversión de analógico a digital a nivel de dispositivo, lo que significa que aunque un medidor de nivel de sonido pueda tener el rendimiento requerido para cumplir con un estándar, no puede probarse usando los métodos especificados en ese estándar.
Debido al tamaño muy pequeño de las estructuras de silicio de los micrófonos MEMS, incluso las partículas de polvo más pequeñas pueden entrar fácilmente en la cavidad del micrófono y dañarlas. Las tensiones estáticas y dinámicas extremadamente altas (normalmente por encima de 160 dB-SPL) también pueden dañar estas pequeñas estructuras de silicio.
Los micrófonos MEMS suelen tener resonancias agudas en el rango de 10kHz a 20kHz. Se requiere la corrección de esta resonancia para que la respuesta de frecuencia del sonómetro se encuentre dentro de los límites del estándar apropiado.
