Elektromagnetische Störempfindlichkeit von MEMS-Mikrofonen

Im Projekt soll der Effekt von störender, hochfrequenter Kopplung in ein Mikrofon, das in einem mobilen Gerät (z.B. Smartphone, Tablet) verbaut ist, verstanden und durch geeignete Maßnahmen reduziert werden. Die Kopplung wird z.B. über nichtlineare Effekte in den Dioden und Transistoren der ASICs, thermoakustische Effekte, z. B. durch periodische Erwärmung des ASICs und hierdurch entstehende Druckänderungen im akustischen Rückvolumen des Mikrofons oder Kopplung durch magnetische Kräfte auf ferromagnetische Bestandteile der Gehäuse oder durch Wirbelströme in leitfähigen Materialien hervorgerufen.

Zur Reduzierung der akustischen Störsignale werden elektromagnetische Tiefpassfilter neben oder in den MEMS-Mikrofonen verwendet, die entweder aus diskreten Bauelementen auf der Leiterplatte des Systems realisiert werden oder in die Mikrofone integriert sind.

Im Projekt sollen deshalb mit Simulationen und Messungen die wesentlichen Effekte, die zu den akustischen Störungen führen, identifiziert und quantitativ beschrieben werden.

Hintergrund des Projekts

Wir alle nutzen immer mehr Geräte, die über Hochfrequenz (HF) Schnittstellen und Mikrofone verfügen, insbesondere Smartphones, kabellose Kopfhörer, Tablets und Smart Speaker. Ein wesentliches Problem, das die Entwicklung dieser Geräte immer schwieriger macht, sind Kopplungen von HF-Signalen in den akustischen Signalpfad, die zu hörbaren Störungen führen. Das bekannteste Beispiel dafür sind Störungen durch GSM Signale, der sogenannte Bumblebee-Noise. Dabei verursacht das mit 217 Hz periodische GSM HF-Signal Störungen, die wie das Summen einer Hummel klingen.

Da die Anzahl der von den Geräten unterstützten Funkschnittstellen zunimmt, wird es aber immer schwieriger Störungen zu vermeiden. Neue Frequenzen und neue Modulationsfahren durch 5G und neue WLAN Standards führen häufig zu neuen Problemen.

Projektziel

Im Projekt sollen die wesentlichen Effekte, die zu akustischen Störungen führen, identifiziert und quantitativ beschrieben werden. Darauf aufbauend werden dann Maßnahmen zur Reduzierung der Kopplungen erarbeitet, die der Industriepartner TDK nach Projektende nutzen kann, um Mikrofone mit einer geringeren Störempfindlichkeit zu entwickeln.

Projektablauf

Nach dem ersten Projektjahr sollen funktionsfähige Messplätze aufgebaut sein, um den Einfluss von hochfrequenten Störern auf die Audio-Leitung eines Mikrofones zu bestimmen. Parallel dazu werden verlässliche Simulationsmodelle mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode und der Lumped-Element-Methode erstellt, mit denen der Einfluss hochfrequenter Störungen berechnet werden kann. Anderthalb Jahre nach Start des Projekts sollen die dominanten Kopplungseffekte verstanden sein und darauf aufbauend ein Konzept für verbesserte Mikrofongehäuse entwickelt worden sein. Anschließend werden Testmikrofone hergestellt und hinsichtlich ihrer Hochfrequenz-Störempfindlichkeit untersucht.

Innovation

Zum ersten Mal werden systematisch die Kopplungseffekte von hochfrequenten Störern auf mikro-mechanische Mikrofone untersucht. Dadurch soll in Zukunft der Entwicklungsprozess für neue Consumer-Geräte, die diese Mikrofone verwenden, erleichtert werden.