MEMSマイクアレイの紹介

MEMS、またはマイクロエレクトロメカニカルシステムは、数マイクロメートルからミリメートルまでの顕微鏡レベルの電気部品と機械部品を組み合わせた小さなデバイスです。これらのシステムは、センサー、アクチュエータ、マイクロエレクトロニクスを使用して、マイクロファブリケーション技術を通じて小型の複雑なデバイスを作成します。MEMSテクノロジーの中心にあるのは、ギア、スプリング、ヒンジなどの機械的要素を単一のシリコンチップに電子回路で統合する機能です。この統合により、MEMSデバイスはマクロスケールで通信しながら、マイクロスケールで感知、制御、および作動することができます。この記事では、コンシューマーエレクトロニクスからヘルスケアまで、さまざまな分野におけるMEMSの主な役割について説明します。MEMSデバイスは、車や通信システムで使用されるMEMSマイクアレイなどのイノベーションで従来のテクノロジーを変更しました。

カタログ

図1：MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）マイクアレイ

現代のテクノロジーにおけるMEMSの役割

MEMSテクノロジーは、柔軟で、小規模で、エネルギー効率が高く、費用対効果が高いため、多くの業界で需要があります。MEMSが最新のテクノロジーでどのように使用されるかは次のとおりです。

家電

MEMSは、スマートフォン、タブレット、ゲームコンソールなどのデバイスでのモーションセンシングや画像安定化などの機能を有効にするコンシューマーエレクトロニクスに役立ちます。この分野の一般的なMEMSデバイスには、ジャイロスコープと加速度計が含まれます。

自動車産業

自動車セクターでは、MEMSは安全性と機能の両方を強化します。これらは、エアバッグセンサー、タイヤ圧力監視システム、車両安定性制御システムで使用され、安全性と性能の向上に貢献しています。

健康管理

MEMSテクノロジーは、医療機器を変換しています。例には、診断用のLab-on-a-chipデバイス、埋め込み型の薬物送達システム、および最小限の侵襲的処置を可能にする高度な外科ツールが含まれます。

産業用アプリケーション

産業環境では、MEMSセンサーは温度、圧力、振動などの条件を監視します。この監視は、予測的なメンテナンスをサポートし、システムの効率を高めます。

通信

MEMSは、光スイッチや可変コンデンサなどのデバイスを強化し、信号ルーティングとネットワークパフォーマンスの管理に適していることにより、通信システムを改善します。

環境監視

MEMSベースのセンサーは、空気や水質などの環境条件を監視し、危険なガスを検出します。サイズが小さいため、多様でしばしば遠隔地での展開に適しています。

図2：MEMSデバイス

MEMSマイクアレイの構成と動作

以下では、MEMSマイクアレイの構造、サウンド処理方法、および信号の組み合わせ手法を掘り下げます。

配列構造の説明

MEMSマイクアレイは、一緒に動作するように配置された複数のマイクで構成されています。各マイクは、半導体製造技術を使用して作られた機械的および電子コンポーネントを備えた小さなデバイスです。これらのマイクは、音を電気信号に変換します。

アレイの構成は、線形、円形、または平面形成などのパターンで配置され、異なる場合があります。このセットアップは、アレイの方向性と感度に影響し、他の方向を無視しながら特定の方向から音をキャプチャできるようにします。これらの配列からの組み合わせた電気出力は、単一の高品質のオーディオ信号を形成するために処理されます。

図3：MEMSマイクアレイシステム

アレイがサウンドを処理する方法

MEMSマイクアレイのサウンド処理には、個々のマイクからの信号の増幅、遅延、フィルタリングが含まれます。各ステップは特定の目的を果たします。

•増幅は、マイクからの弱い信号を高め、さらに処理するのに十分な強さになります。

•遅延は、物理的な分離のために、異なる時間に異なるマイクによってキャプチャされた音を同期させます。この同期は、正確な音のローカリゼーションとビームフォーミングに適しています。

•フィルタリングは、目的の出力に応じて、他の周波数を抑制しながら特定の周波数を強化します。たとえば、音声の明確さのために重要な高周波ノイズまたはブースト周波数を除去できます。

図4：アレイとデジタルサウンド

信号を組み合わせる技術プロセス

MEMSマイクアレイの信号を組み合わせることは、ビームフォーミングとして知られるバックグラウンドノイズを減らしながら、望ましいサウンドを強化することを目的とした洗練されたプロセスです。ビームフォーミングは、マイクの配置と音波の微分タイミング（遅延）を使用して、アレイの感度を目的の音源に集中させ、不要なノイズからの干渉を最小限に抑えます。

このプロセスでは、各マイクの出力の重みを計算し、各信号が最終出力にどの程度寄与するかを決定します。重みは、音波の方向と音響環境に基づいて調整されます。これらの加重信号を組み合わせて、アレイは干渉を減らしながら特定の方向からのサウンドキャプチャを強化する方向フォーカスを作成します。

適応フィルタリングなどの高度な信号処理手法は、音環境の変化に応じて処理パラメーターを動的に調整します。この適応性により、MEMSマイクアレイは、静かなスタジオから騒々しい屋外環境まで、さまざまな設定で最適なパフォーマンスを維持できます。

図5：MEMSマイクアレイ

信号対雑音比（SNR）の重要性

信号対雑音比（SNR）は、オーディオテクノロジーの重要な尺度です。希望の信号のレベルを、デシベル（DB）で表されるバックグラウンドノイズのレベルと比較します。SNRが高いということは、ノイズが少ないより明確なオーディオ信号を意味しますが、SNRが低いとバックグラウンドノイズが大きくなり、オーディオの品質が低下します。

SNRは、スマートフォンやヘッドフォンからプロの録音機器まで、多くのオーディオデバイスに使用されます。高品質のオーディオシステムでは、SNRが高いことは、オーディオ出力が元のレコーディングに非常に近く、バックグラウンドノイズが最小限であることを意味します。これは、小さなノイズがオーディオの品質に大きく影響する可能性があるため、スタジオの録音に役立ちます。

通信システムでは、SNRが明確にする必要があります。たとえば、騒々しい環境では、SNRが不十分なデバイスは不明確なオーディオを生成し、ユーザーがお互いを理解するのが難しくなります。したがって、高いSNRを維持することは、オーディオテクノロジーの設計と開発における主な目標です。

図6：信号対雑音比（SNR）

MEMSマイクアレイが不要なノイズを減らすことでSNRを改善する方法

ビームフォーミング

MEMSマイクアレイは、ビームフォーミングを介してSNRを強化します。この手法は、複数のマイクからシグナルを処理して、焦点を絞った方向応答を作成します。特定の方向からサウンドをキャプチャし、他の方向からノイズを最小化することにより、ビームフォーミングは、スマートスピーカーや会議システムのように、サウンドソースが固定されている設定で効果的です。

ノイズキャンセル

SNRを改善する別の方法は、ノイズキャンセルです。アレイ内の異なるマイクからのオーディオ信号を比較することにより、システムは不要なノイズを検出および無効にすることができ、それにより目的の信号の明確さを高めます。この機能は、騒々しい公共スペースでよく使用される家電に役立ちます。

空間フィルタリング

MEMSマイクアレイは、さまざまな場所からサウンドを分離する空間フィルタリングにも優れています。これにより、バックグラウンドノイズが減少するだけでなく、全体的なオーディオキャプチャの品質も向上します。このような機能により、MEMSアレイは複雑な音響環境に最適です。

ブロードサイドマイクアレイ

ブロードサイドマイクアレイは、音源に垂直な1つまたは2つの次元に配置されています。このセットアップは、予測可能なサウンド方向を備えた環境で効果的であり、システムは横方向のノイズを無視しながら正面からの音に焦点を合わせることができます。物理的な配置により、すべてのマイクが意図した方向から同時に音を受信し、建設的な信号の合計につながります。ただし、他の方向から到着する音は、到着時間が異なるために位相の不一致を経験し、その結果、合計が弱くなり、出力が減少します。この構成は、コンピューターモニターやテレビ画面などのデバイスに最適であり、ディスプレイエリアから直接サウンドに焦点を当てることで聴覚体験を向上させます。

図7：ブロードサイドマイクアレイ

エンドファイアマイクアレイ

エンドファイアマイクアレイは、音の方向に沿ってマイクを直線的に配置します。このセットアップは、音の伝播の自然な時間遅延を利用しており、各マイクがわずかに遅れた間隔で音をキャプチャします。これらの遅延は、信号を同期するように電子的に調整され、目的の音の合計を強化します。エンドファイアアレイは、フロントからサウンドを分離しながら、背面を含む他の方向からの音を減らすのに優れています。この方向性の焦点により、人前で話すことやパフォーマンスで使用されるマイクなど、ハンドヘルドデバイスに適しています。このデバイスでは、特定の音源をターゲットにし、周囲のノイズから隔離できます。

図8：ブロードサイドマイクアレイvs.エンドファイアマイクアレイ

MEMSマイクアレイの動作原則

MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）マイクアレイは、マイクロファブリケーションテクノロジーとサウンドエンジニアリングを組み合わせた高度なデバイスであり、オーディオを高精度でキャプチャおよび処理します。これらの配列は、サウンドキャプチャ、信号処理、ノイズリダクションのいくつかのコア機能に基づいて動作します。

複数のマイクを介したサウンドキャプチャ

MEMSマイクアレイは、複数の空間的に分布したマイクを使用して、音響環境をサンプリングします。各マイクは、音波を電気信号に変換し、システムがさまざまな方向からオーディオを収集できるようにします。このセットアップは、サウンドの起源と特性を検出する際の配列の精度を高めます。空間分布は、サウンドローカリゼーションやビームフォーミングなどのより広いサウンドフィールドタスクをキャプチャする必要があります。ビームフォーミングは、他のものを抑制しながら、特定の音源に対する配列の感度を指示します。

デジタル信号処理（DSP）

音をキャプチャした後、各マイクからの電気信号はDSPシステムによって処理されます。このシステムは、生データが分析されるMEMSマイクアレイの計算センターです。DSPアルゴリズムは、複数のマイクから信号を合成して、まとまりのあるサウンドマップを作成します。各信号をタイムスタンプすると、システムは空間を通る音の方向と軌跡を正確に決定できます。

図9：デジタル信号処理ブロック図

ノイズフィルタリングと音の強化

また、DSPは、バックグラウンドノイズを除外し、目的のサウンドを明確にすることにより、オーディオの品質を向上させます。ノイズ抑制、エコーキャンセル、ゲイン制御などの手法が採用され、オーディオの忠実度が向上します。これらのプロセスは、通信システム、補聴器、スマートフォンの音声アシスタントなど、明確な音の再現が必要なアプリケーションに最適です。

MEMSマイクタイプ

図10：MEMS全方向マイク

全方向マイク

MEMS全方向マイクは、あらゆる方向から均一に音をキャプチャします。これにより、特定の方向からの音に焦点を当てた方向マイクとは一線を画します。MEMS全方向マイクは、MEMSテクノロジーで作られた小さなダイアフラムを使用しています。これらのダイアフラムは、あらゆる方向から音波を検出し、マイクを高度に適応性があります。それらの小さなサイズと一貫したパフォーマンスにより、さまざまなデバイスに簡単に統合できます。

これらのマイクは、サウンドソースが移動したり、複数の方向から来たりする設定で優れています。たとえば、会議室では、人々はテーブルの周りのあらゆる方向から話すことができます。全方向マイクは、明確な音声キャプチャを保証し、コミュニケーションと録音を強化します。

音声起動アシスタントのようなスマートホームデバイスは、部屋のどこからでもコマンドをピックアップする必要があります。同様に、セキュリティシステムはこれらのマイクに依存して、アラートをトリガーするサウンドを検出し、包括的なサウンドキャプチャの恩恵を受けます。

図11：MEMS方向マイク

方向マイク

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）方向マイクは、特定の方向からの音に焦点を合わせ、不要なノイズを最小化することにより、オーディオの明瞭さを改善するために重要です。この技術は、標的領域に対する感度を高めるために連携する小さなマイクの配列を使用しています。このアプローチは、通信と補聴器に役立ちます。

電気通信では、MEMSの方向マイクは特定の方向から音を分離および増幅し、周囲の騒音にもかかわらず明確な会話を確保します。これは、忙しい通りや混雑したオフィスのような騒々しい場所で機能します。スピーカーの声に焦点を当て、バックグラウンドノイズを切り取ると、これらのマイクはより鮮明で理解しやすいオーディオを提供し、ユーザーエクスペリエンスを改善します。

高度な補聴器は、これらのマイクを使用して、ユーザーが直面している主要なサウンドソースに焦点を当て、聴覚環境の変化に適応して最適なパフォーマンスを維持します。

MEMS方向マイクには、洗練された信号処理アルゴリズムも組み込まれています。これらのアルゴリズムは、さまざまな角度からサウンドを分析し、目的の方向から音波を選択的に増幅します。この高度なテクノロジーは、マイクのパフォーマンスを向上させるだけでなく、スマートフォンや補聴器などの小型ガジェットに適した小さなデバイスに統合することもできます。

利点

全方向性と方向のMEMSマイクは、さまざまな状況にユニークな利点を提供します。メインサウンドソースを分離し、補聴器のパフォーマンスを向上させることにより、騒々しい環境で方向マイクが優れています。全方向マイクは、静かな設定に適しており、複数の方向から音をキャプチャし、監視システムに適しています。現代の補聴器は、多くの場合、両方のタイプを組み合わせて、さまざまな周囲音に適応するための手動または自動調整が可能になります。

デジタルMEMSマイクの機能

デジタルMEMSマイクは、クロック入力（CLK）とデータ出力（データ）ライン間の同期が必要である½サイクルパルス密度変調（PDM）形式でデータを提供します。L/R入力ピンをVDDまたはグランドに設定することにより、単一のデータラインが2つのマイク間で共有され、「左」または「右」として指定されます。これらのデバイスは、1.8Vまたは3.3Vの供給を搭載しています。

操作中、「左」マイクは、CLKの立ち上がりエッジに関するデータと、下端の「右」を書き込みます。右マイクが故障している、または存在しない場合、左マイクは元エッジにデータを書き続け、落下エッジの高インピーダンスに切り替えます。これにより、データラインは左マイクの出力のみを反映し、DSPが両方のチャネルの同一のデータを受信するとエラーが発生します。これらの問題を回避するには、徹底的なテストが必要です。数百kHzから3 MHzの範囲のクロック周波数は、消費電力とオーディオの品質に影響します。短いケーブル距離は、デジタル信号の完全性を維持し、長くて高キャピタンスケーブルによる損失を最小限に抑えるのに役立ちます。

複数のMEMSマイク

デバイスで複数のMEMSマイクを使用すると、オーディオキャプチャ機能が向上します。一緒に働くいくつかのマイクは、車やモバイル通話中に騒々しい環境で高い音質を維持するために、信号対雑音比（SNR）を強化します。マルチマイコンセットアップは、ビームフォーミングなどの高度な機能をサポートしています。

複数のMEMSマイクを統合すると、テストと検証の課題ももたらします。エンジニアはマルチチャネル測定を実行して、マイクアレイ全体で位相アラインメントと同期を確保する必要があります。オーディオ出力を改善するには、DSPアルゴリズムが正確なテストが必要です。厳格なプロセスと高度なテスト機器は、これらのシステムが確実に機能し、高品質のサウンドを生成します。

結論

MEMSテクノロジーは、現代の革新の主要な部分であり、多くのシステムの品質と機能を改善します。たとえば、MEMSマイクは家電のオーディオを強化し、車の安全性を高めます。これらのデバイスは、信号の透明度を向上させ、高品質のサウンドを提供し、ノイズを削減します。デジタルMEMSマイクの作成は、このテクノロジーがどのように進化しており、今日のデバイスのニーズを正確、効率、信頼性を備えていることを示しています。MEMSテクノロジーが進歩し続けるにつれて、現在のテクノロジーと将来のテクノロジーを改善することが引き続き重要になります。

よくある質問[FAQ]

1.マイクアレイは実際のマイクですか？

はい、マイクアレイは確かに実際のマイクのコレクションです。さまざまな方向から音をキャプチャするために配置された複数のマイクユニットで構成されています。この構成により、アレイはノイズリダクションや方向性などの複雑なオーディオ処理タスクを実行し、単一のマイクと比較してサウンドキャプチャの品質を向上させることができます。

2.ステレオミックスとマイクアレイの違いは何ですか？

「ステレオミックス」と「マイクアレイ」という用語は、サウンドハンドリングのさまざまな側面を指します。ステレオミックスは、すべてのオーディオ入力と出力を単一のステレオトラックに組み合わせたコンピューターのサウンドカードの機能であり、さまざまなソースから複合オーディオを同時に記録またはストリーミングできます。一方、マイクアレイには、バックグラウンドノイズからオーディオソースを分離することにより、空間的なサウンド情報をキャプチャし、音質を向上させるためによく使用されるオーディオを記録するために協力する複数のマイクが含まれます。

3. MEMSはマイクアナログですか、それともデジタルですか？

MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）マイクは、アナログまたはデジタルのいずれかです。このタイプは、生成するオーディオ信号の出力形式に依存します。アナログMEMSマイクは、アナログ波としてオーディオ信号を出力し、デジタル信号への変換のために追加の回路を必要とします。ただし、デジタルMEMSマイクには、サウンドを直接デジタル信号に変換する統合回路が含まれており、デジタルデバイスとの接続を簡素化します。

4. MEMSマイクをテストするにはどうすればよいですか？

MEMSマイクのテストには、正しく機能していることを確認するためのいくつかのステップが含まれます。

接続チェック：まず、マイクがテストデバイス（コンピューターやアナライザーなど）に適切に接続されていることを確認します。

目視検査：パフォーマンスに影響を与える可能性のある物理的損傷を確認してください。

サウンドテスト：標準のサウンドソースを使用するか、マイクに話しかけて、明確さとボリュームを確認します。ソフトウェアツールまたは専用のオーディオテストデバイスは、音質を分析し、歪みやノイズなどの問題を検出するのに役立ちます。

機能テスト：診断ソフトウェアを使用して、さまざまな周波数と音声レベルにわたってマイクの応答を確認する機能テストを実行します。

5. MEMSマイクの電圧はいくらですか？

MEMSマイクの動作電圧は、特定のモデルとメーカーに応じて、1.5〜3.6ボルトの範囲です。正しい動作電圧を確認し、アプリケーションの電源仕様に合っていることを確認するために使用している特定のMEMSマイクモデルの技術データシートを参照することが重要です。