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Re: DIY - Rüssel MEMS Mikrofon(e)

Beitrag von ruessel » Mo 22 Nov, 2021 18:22

DSC_2680.jpg

Was für ein Drahtverhau auf der Rückseite, die "Schaltlogik" hat etwas mehr Lötarbeit erfordert. Egal, Stecker rein, MEMs angestöpselt und es scheint zu funktionieren.
Morgen mal einen sauberen Abgleich machen und Testmessungen durchführen.
Gruss vom Ruessel

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ruessel
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Re: DIY - Rüssel MEMS Mikrofon(e)

Beitrag von ruessel » Di 23 Nov, 2021 07:15

Die Spikes, die man auf den Ozzis oben im Bild sieht, kommen eindeutig vom 48V Schaltnetzteil. Ärgerlich.
Könnte nun versuchen mit Alufolie und StahlBlechen eine Trennung zu realisieren - finde aber den Koffer auf ein getrenntes Netzteil mit Stecker umzubauen wesentlich einfacher. Das Netzteil ist eine Dreckschleuder, sollte 1 Meter entfernt werden. Also ein eigenes Gehäuse für das China-Netzteil drucken.
Gruss vom Ruessel




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Re: DIY - Rüssel MEMS Mikrofon(e)

Beitrag von ruessel » Mi 24 Nov, 2021 15:52

Ich bastel mich fast tot. Heute alles auf getrenntes 230V Netzteil erfolgreich umgestellt. Immer noch dicke Spikes im rechten Ozzi - der DC/DC Wandler ist es (48V zu 9V). Also wieder alles von vorne.

DSC_2681.jpg
Gruss vom Ruessel

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Re: DIY - Rüssel MEMS Mikrofon(e)

Beitrag von ruessel » Fr 26 Nov, 2021 10:14

DSC_2682.jpg

Jeeeaaaahhhhhh...... einen Schritt weiter.
Mir wurde beim Kofferbau nix geschenkt, wirklich nicht. Hatte Störungen um 43 kHz die alle Messungen total verfälschte. Ich hatte das Chinanetzteil (siehe im Bild oben ganz links) im Verdacht und baute es als externes Netzteil mit viel Leitungslänge dazwischen (mit geilen orangen Kabel ;-)). Hatte erst einen Erfolg, dann waren die 43 kHz Störungen sogar noch höher. Dann stand der DC/DC Step Wandler in Verdacht, er transformiert die 48V Phantomspannung auf 9V für die beiden Ozzis. Auch daran lag es nicht, habe ihn in einen Frustanfall sogar abgeschnitten und mit ext. 9V Netzteil die Ozzis betrieben - keine Änderung! Die Störungen kommen irgendwie von außen.....aus der Luft. Morgens weniger als Abends.

ich habe den Störenfried bis jetzt noch nicht finden können, ich hatte meine Zimmerbeleuchtung in Verdacht - LED Glühlampen. Es ist aber egal ob Zimmerbeleuchtung an oder aus. Die 43 kHz sind sehr sehr Nadelförmig, also eher Impulse. Noch seltsamer, sie sind nur Negativ im Signal, bis zu 15 mV, also fast so laut wie ein Mikro bei Zimmerlautstärke ein Signal ausgibt.

Jetzt schaut euch meinen Sinus unten im Bild an - sehr sauber, frei von jeder Störung ;-)
Beide Ozzis messen das MEMs, im Bild steckt es im Schlauch der an einer Druckkammer mit 10 kHz steckt. Das eine Ozzi mißt am symmetrischen Signal den + Signalausgang, das andere das - Signal. Schön kann man dort auch den 180 Grad Versatz des sym. Signal sehen, einmal die Halbwelle die ansteigt, beim anderen Ozzis die Halbwelle dazu im Minusbereich.

Um so sauber messen zu können, waren mehrere Änderungen erforderlich: Als erstes einen zentralen Massepunkt im Koffer definiert, den Koffer selber auf Masse abschirmen. Ich benutze dazu die Alufolie des Koffers - ist irgend eine DC-FIX Klebefolie. Ich habe mich gewundert, von oben rechts (Deckel) bis unten links (Bodenteil) messe ich nur 0,3 Ohm, also ideal für eine Elektromagnetische Abschirmung. Damit waren schon 2/3 der Störungen beseitigt. Den Rest musste ich mit 60 nF Folienkondensatoren durchführen, sie schliessen HF Störungen kurz. Deshalb ist der Messkoffer nicht mehr für Ultraschall geeignet, ab ca. 40 kHz gibt es eine deutliche Dämpfung. Dafür ist nun überhaupt keine Störungen mehr Meßbar. Prima....was sich so locker liest ist fast 8 Stunden Arbeit mit viel suchen.

Mein Messschlauch ist sowas von unbrauchbar, kaum zu glauben. Während normale Mikrofonkapseln am Schlauch eine sehr hohe Wiederholbarkeit der Messungen erreicht (schwankt um 1 mV) ist das bei MEMs gar nicht zu glauben, es schwankt um 1200%. Also wirklich desaströs.
Habe Kontakt zu einem Ing. aufgenommen, der sich damit auskennt bzw. die Firma forscht in diesem Bereich. Ich habe Unterlagen bekommen wie dort gemessen wird, eine Beschreibung der Messkammer dort. In den nächsten Tagen haben die 3D Drucker wieder viel zu tun.

Diese arbeiten machen keinen Spaß mehr, sind aber nötig um neue geile Stereo MEMs Mikrofone zu basteln. Denn wenn der linke zum rechten Kanal erheblich abweicht, ist nix mehr mit guten Stereo. Wenn doch, wäre das ein Zufall...... wer möchte sich darauf verlassen?
Gruss vom Ruessel

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Re: DIY - Rüssel MEMS Mikrofon(e)

Beitrag von ruessel » So 28 Nov, 2021 16:48

MEMsDruckkammer.jpg

Nun ist es Vollbracht ;-)
Bin richtig happy, ein sehr großer Klotz zum bestmöglichen MEMs Mikro ist geschafft. Es ist zwar noch kein neues Stereo MEMs geboren, aber nun müßten eigentlich alle Meßmittel dazu vorhanden sein. Ein großer Abschluss war nun ein 132 Seitiges PDF, über eine Beschreibung um MEMs zu selektieren - auf Wissenschaftlicher Ebene für die Industrie. Danke noch mal für die Zusendung.

Wenn man das alles liest, kann man einen einfachen Extrakt daraus erstellen - also grob zusammengefaßt:

1. Es muss in einer Luftdichten Messkammer gemessen werden, möglichst bei 1013 hPa (Normaldruck - um immer die selben Werte zu bekommen). Der Innendruck vom Lautsprecher (Pegel) ist damit in der gesamten Kammer absolut gleich.

2. Die Druckkammer muss Resonanzfest sein, um ein sauberes Meßbares Signal zu bekommen.

3. Die Druckkammer darf in den Abmessungen nicht die Wellenlänge überschreiten, da es sonst Wellenberge und Täler gibt. 1 kHz hat in der Luft die Wellenlänge von 33cm. Ich habe dieses Glas genommen, da dort auch das MEMs inkl. Messzange rein passt..... aber deutlich kleiner als 33cm ist.

Meine Lösung:
DSC_2685.jpg

Der weiße Pfeil zeigt das MEMs im Glas. Es ist wirklich egal wo sich das MEMs im Glas befindet, die Ozzis zeigen keinerlei veränderte Werte an! Wenn ich richtig gerechnet habe, kann ich mit diesem - ich gebe zu, seltsamen - Meßaufbau die MEMs auf +- 0.1 dBA selektieren. Genauer als ich je erwartet habe.
Gruss vom Ruessel

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Re: DIY - Rüssel MEMS Mikrofon(e)

Beitrag von ruessel » Mo 29 Nov, 2021 10:14

Bin gefragt worden....ganz einfach: Warum so ein Aufwand?

Tja, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Aber selbst beim Herstellen von MEMs können nicht alle Parameter exakt vorgegeben werden. Spätestens beim Löten können die ab Fabrik gemessenen Daten sich verändern. Ein wenig Verzug beim Abkühlen am Gehäuse, falsches Temperaturhochfahren beim verlöten usw. kann katastrophale Ausmaße annehmen. ich kenne einen Bastler, der schafft nach eigenen Veröffentlichungen von 10 Mems gerade eins ohne klanglichen Verzug (Höhenbereich) von Hand zu verlöten.
Mir geht es allerdings nur um "Stereogleichheit", d.h. der Klang sollte nicht bei Richtungsänderung sich verändern, bzw. die Richtungen des Schalls soll exakt aufgezeichnet werden können - so wie es bei der Aufnahme vor Ort tatsächlich war.
Laß es mich die Problematik mit Auszügen aus dem PDF zitieren:
Anders als Elektret-Kondensatormikrofone weisen die MEMS-Mikrofone durch die externe elektrische Vorladung eine höhere Stabilität bei Temperaturbelastung auf. Sie sind aufgrund ihrer kurzzeitigen Hitzebeständigkeit von bis zu 260C für die Oberflächenmontage (engl. surface-mounting technology; kurz SMT) geeignet. Gegenüber den ECMs erlaubt dies eine maschinelle und somit kostengünstigere Montage. Ein weiterer Vorteil von MEMS-Mikrofonen ist deren sehr kleine Bauform im Bereich weniger Millimeter. Silizium als Trägermaterial ermöglicht dabei die Herstellung sehr dünner Membranen, mit Dicken im Zehntel Mikrometer und Durchmessern im Millimeter Bereich. Diese sehr kleinen Abmessungen ermöglichen es, den Trend der Miniaturisierung mitzugehen und mehrere Mikrofone kostengünstig und platzsparend in eine Applikation zu integrieren. Veranlasst durch die steigenden Ansprüche der Unterhaltungselektronik im Bereich der Akustik und bedingt durch die immer leistungsfähigeren Mikroprozessoren, werden mehrere Mikrofone in einer Anwendung eingesetzt um dadurch die Klangqualität, anhand verschiedener Signalverarbeitungsalgorithmen, zu verbessern.
Für die Qualität vieler Audioalgorithmen spielt neben der Mikrofonpositionierung, deren Amplituden- und Phasengleichheit im Ausgangssignal eine entscheidende Rolle. Durch die Integration immer komplexerer Signalverarbeitungsalgorithmen in die Unterhaltungselektronik kann die Aufnahmequalität positiv beeinflusst werden. Eine Bedingung hierfür ist die elektroakustische Gleichheit der eingesetzten MEMS-Mikrofone. Deshalb fordern Smartphonehersteller MEMS-Mikrofone mit Streuungen der Empfindlichkeiten, bzw. Sensitivitäten, kleiner 1 dB.

Abweichungen der Fertigungsprozesse von Sensor, ASIC und Gehäuse führen zu Streuungen der Sensitivitäten. Eine einfache Methode um die geforderten Sensitivitätsspezifikationen einzuhalten ist die Selektion der Mikrofone im Produktionstest, anhand der elektroakustischen Messdaten. Nachteil dieser Methode ist jedoch eine geringe Ausbeute bei großen Sensitivitätsstreuungen.
Eine für die Massenproduktion von MEMS-Mikrofonen effektivere Methode die Ausbeute zu steigern, ist das Vorsortieren auf Silizium-Chip Ebene. Hierfür werden die Kapazität des Sensors und die vom ASIC erzeugte elektrische Vorladespannung auf Waferebene vermessen. Anschließend wird jedem Sensor ein passender ASIC-Chip zugeordnet. Dadurch werden bei der Integration beider
Chips in ein Gehäuse, unterschiedliche Prozesstoleranzen durch Kombination passender Eigenschaften ausgeglichen und Sensitivitätsstreuungen reduziert.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die Einflüsse nachfolgender Prozessschritte, sowie spätere äußere Einwirkungen nicht mit kompensiert werden. So wird zum Beispiel durch die Verbindung des SensorChips mit dem Trägersubstrat eine zusätzliche mechanische Spannung auf die Membran ausgeübt. Diese beeinflusst die Membranauslenkung durch den Schall und damit die Sensitivität.
Des weiteren können anhand passend gewählter Einstellungen sowohl das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise ratio; kurz SNR), als auch die gesamten harmonischen Verzerrungen (engl. total harmonic distortion; kurz THD) bei sehr hohen Schalldrücken beeinflusst werden. Der SNR ist maßgeblich für die Aufnahmequalität von Sprache und Musik verantwortlich, da bei einem hohen SNR auch Schall mit einem geringen Schallpegel aufgenommen werden kann. Mit dem Vordringen der Unterhaltungselektronik in den Sport- und Freizeitbereich steigen die Anforderungen an das elektroakustische Mikrofonverhalten bei sehr hohen Schalldruckpegeln, wie zum Beispiel bei Aufnahmen auf Rockkonzerten oder bei Fallschirmsprüngen. In Zukunft werden, neben immer kleineren Gehäuseabmessungen, auch die elektroakustischen Anforderungen und die Anforderungen an die Zuverlässigkeit immer weiter steigen.
Gruss vom Ruessel




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