Мурр Мурыч и уши летучей мыши

Мяу, юные акустики! Сегодня мы разберёмся, как наши гаджеты научились слышать. Мои уши могут поворачиваться на 180 градусов и улавливать малейший шорох. Но у МЭМС-микрофонов есть свои суперспособности.

Забудьте о старых, громоздких микрофонах с катушками и магнитами. Почти в каждом современном смартфоне, ноутбуке или умной колонке стоит крошечный МЭМС-микрофон. Это настоящий шедевр микромеханики. Он состоит из двух основных частей.

Гибкая мембрана и неподвижная перфорированная пластина (backplate) — «сито» с сотнями микроскопических отверстий — образуют конденсатор. Когда вы говорите, звуковые волны заставляют мембрану вибрировать. Расстояние между ней и неподвижной пластиной меняется, а вместе с ним — ёмкость конденсатора. Электронная схема (ASIC), расположенная на том же чипе, превращает эти изменения ёмкости в электрический сигнал.

Почему МЭМС-микрофоны захватили мир? Именно благодаря им стало возможным создать массивы микрофонов в умных колонках, которые могут «выделить» ваш голос из окружающего шума и понять, с какой стороны вы говорите. Представьте метёлку в пыльной комнате: она начинает трястись, когда кто-то хлопает в ладоши. Только наша мембрана вибрирует не от хлопков, а от давления звуковых волн, например от вашего голоса. Электроника фиксирует каждый крошечный толчок, переводит его в электрический сигнал — и вот ваш телефон уже слышит вас.

• Миниатюрность: они в десятки раз меньше традиционных.

• Низкое энергопотребление: идеально для носимых устройств.

• Стабильность: их характеристики почти не меняются со временем и температурой.

• Технологичность: можно производить миллионами на одной кремниевой пластине, как обычные чипы.

Ультразвуковые МЭМС-датчики (PMUT): слух летучей мыши

А что, если нужно не просто слушать, а «видеть» с помощью звука, как летучая мышь? Здесь на помощь приходят пьезоэлектрические микромашинные ультразвуковые преобразователи (PMUT). Это удивительные устройства, которые умеют и излучать, и принимать ультразвук. В их основе — тонкая плёнка из пьезоэлектрика (например, нитрида алюминия, AlN).

• В режиме излучателя: на плёнку подаётся переменное напряжение, и она вибрирует с ультразвуковой частотой, создавая звуковую волну.

• В режиме приёмника: отражённая от препятствия ультразвуковая волна заставляет плёнку вибрировать, и она генерирует электрический сигнал.

Измеряя время между отправкой и приёмом сигнала, можно с высокой точностью определить расстояние до объекта. Это «ультразвуковое зрение»:

• Парктроники — PMUT-датчики в бампере измеряют расстояние до препятствий.

• Жестовое управление — массив PMUT-датчиков отслеживает положение и движение рук в воздухе.

• Компактные УЗИ-сканеры на основе МЭМС.

• Дактилоскопические сканеры под экраном смартфона: ультразвук позволяет создать трёхмерную карту отпечатка, которую невозможно обмануть фотографией.

Удивительные факты от Мурр Муррыча

• Размер мембраны МЭМС-микрофона — меньше миллиметра, а её толщина — всего несколько сотен нанометров.

• В одном флагманском смартфоне может стоять до 4–5 МЭМС-микрофонов для шумоподавления и стереозаписи.

• Частота работы PMUT-датчиков лежит в диапазоне от 20 кГц до нескольких МГц — далеко за пределами слышимости даже для кошек.

Мы научили чипы слышать и «видеть» звуком. В следующей главе узнаем, как МЭМС чувствуют давление и ускорение. Мур-мур, до встречи!