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Es gibt da etwas völlig Neues - und darum hier eine "Vision"

Zwei ganz keine Mikrofone - ein Elektret- und ein völlig anderes Chip-Mikrofon

von Gert Redlich im Aug. 2017 - Hier beschreibe ich die (meine) Vision, was man mit der ganz neuen MEMS Technik alles anfangen könnte. Nachdem in der FAZ (FAS) vom Aug. 2017 kritisiert wurde, bei den Autobauern und auch sowieso bei den Ingenieuren in Deutschland fehlten die Visionen, hier einmal anders herum.

Eigentlich hatte ich mir hier im virtuellen Hifi-Museum die grundsätzliche Aufgabe gestellt, über Vergangenes zu berichten und über Technik und Philosophie und die Qualität und die Perspektiven zu schreiben und das alles so objektiv wie möglich zu erläutern, zu beschreiben und auch (subjektiv) zu kommentieren.
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Und schon sind wir bei der alten schwarzen analogen Vinyl-Schallplatte und deren "Revival". Sie können hier im Museum auf ganz vielen Seiten nachlesen, daß mir als Techniker die Qualität der vinylen Platte als eine Gratwanderung auf des Messers Schneide vorkommt. Und Sie lesen auch, daß die Ingenieure das bereits vor 1938 alles gewußt hatten und um 1950, 1960 und später 1978 nochmal ganz genau dargelegt hatten, wie weit die qualitativen Möglichkeiten der Nadelton Abtastung ausgereizt werden könnten.
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Zwei unterschiedliche Seiten, das "Schneiden" und "Abspielen"

die letzte Neumann Schneidmaschine

Tontechniker und Toningenieure wissen also ganz genau, was beim Schneiden einer Platte (der Folie) qualitativ zu beachten ist. Das hat nichts mit der (später) auf der Platte befindlichen Musik zu tun. Es geht ganz alleine um das physikalische Schneiden der Rille in einen Rohling (eine "Lackfolie") oder in eine Kupferscheibe auf z.B. der Neumann (oder Westrex) Schneidemaschine.

Beim Schneiden wird die maximal mögliche technische Sound-Qualität vom Anfang der Einlauf-Rille bis zum Ende in der Auslauf-Rille bestimmt. Mit den ganz modernen Schneide-Methoden und -Maschinen bekommt man eine Audio-Qualität hin, die sich gegenüber 1960 doch um einiges gesteigert hatte. Und daß die technische Qualität nach innen zur Mitte der Platte erheblich abfällt, ist technisch bedingt und nicht zu ändern.

Die Crux lag bisher bei der Abtastung der fertig gepressten schwarzen oder bunten Scheiben.
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Genial, der Laserplattenspieler (mit analoger Abtastung !!)

das japanische Modell

Bislang hatte ich Berichte über zwei Laser basierte Abtastgeräte vorgefunden. Beide Artikel sind hier zu finden. Das klitzekleine Problem war eigentich "nur" der Preis von deutlich über 20.000 Euro - und dafür gab's nicht mal etwas Haptik oder gar Anfass-, Spiel- und Zuschau-Genuß. Weiterhin wurde bei der französischen Entwicklung das Audiosignal auch noch digital aufbereitet - wegen eventueller Risse der Platte - und das ging bei den Analog-Freaks nun mal gar nicht. Die Bedienung war auch nicht trivial und beide Geräte sahen bislang etwas gebastelt aus, also zum Protzen auch nicht geeignet. Es kamen nur Bibliotheken, Archive und UNIs als Kunden infrage.
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Der Ausweg : Die Mechanik komplett ersetzen

Es gab da einige Ideen zum Beispiel der kapazitiven Abtastung, doch immer noch war da eine wie auch immer noch so kleine Abtastnadel mit im Spiel bzw. dabei. Wie sollte man solch ein Rillensignal auch aus der Rille herausbekommen ? Und diese Nadel (bzw. der Diamant) hat  immer ein kleine Masse, zwar wenig aber immer mehr als absolut "Null".

Jetzt gibt es eine Vision . . . . . . . .
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Im ELV Magazin stehen tolle Artikel - seit 20 Jahren

am Puls der Zeit

Und in der Augabe 4/2017 des ELV Journals stand es fast ganz nebensächlich in einem Bericht über einen völlig neuen Mikrofon-Bausatz für 4.95 Euro. Soetwas kann ja gar nichts sein, das überliest man doch. Nein, hier wurde ein genialer Geistesblitz beschrieben.

Vor ein paar Jahren fingen die Gurus an, mit dem 3D- "Drucker" die kleinen Bauteile für ihre Konstrukte selbst zu "drucken". Wir haben gestaunt. Inzwischen wird ein Teil der AIRBUS Komponenten gedruckt !!

Weiterhin war ich stolz, daß mein (ziemlich alter HP-) Webserver mit inzwischen 8 Kernen und 16 virtuellen CPUs die Webseiten meist recht schnell ausliefert. Da lese ich doch von einem neuen Server - gleicher Größe - mit 148 Kernen - ui ui ui.

Inzwischen sind die Halbleiterspezialisten so weit, daß sie (mechanische) Mikrostrukturen in die Chips einbauen können. Und wieder staunen wir, was da alles geht. Darum hier einige Zitate aus dem ELV Journal, der Redakteur hat es gut und verständlich formuliert.
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Aus dem ELV Journal : Die MEMS-Technologie

Bild 1: Mikromechanik im Nanometer-Bereich: das Bein einer Spinnmilbe im Vergleich mit einer MEMS-Spiegelmechanik (Courtesy Sandia National Laboratories, SUMMiT™ Technologies)
Bild 2: DLP-Chip von Texas Instruments für die Verwendung in Projektoren. In der Mitte sieht man die vergrößerte Mikromechanik der Spiegelfacetten, rechts die Funktionsweise. (Bilder: Texas Instruments)

Der Begriff MEMS steht für „Micro-Electro-Mechanical- System“. Diese Bauteile vereinen sehr kleine mechanische Strukturen mit elektronischen Komponenten. Die mechanischen Strukturen bewegen sich im Nano-Maßstab von 100 µm (nicht zu verwechseln mit Nano-Technik!) und sind echte, sich bewegende Teile.

Wie klein diese Strukturen sind, verdeutlicht das Bild, das eine Mikromechanik im Vergleich mit dem Bein einer Spinnmilbe zeigt. Die mechanischen Elemente dieser Systeme nutzen die verschiedensten physikalischen Effekte wie Piezoeffekte, Bewegungen, Wärme und Licht bis hin zum elektromechanischen Antrieb bei Aktoren. Sie sind direkt mit den auswertenden oder antreibenden Elektronikkomponenten verbunden, somit entsteht eine ultrakompakte Sensor- oder Aktorkomponente. Ein bekannter Vertreter für diese Technik ist der von Texas Instruments entwickelte DLP-Spiegel für unsere moderne Video-Beamer. Hier befinden sich mehrere Millionen kleiner Spiegel auf einem Chip, die jeder für sich angesteuert werden können. Damit lassen sich hochwertige Bildprojektoren realisieren.
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Neu: Das MEMS-Mikrofon (Stand 2017)

Mikro-Elektromechanische Systeme (MEMS) sind ein äußerst interessantes Technikgebiet, das noch relativ jung ist, aber sich zunehmend weite Anwendungsbereiche erobert.

Das hier vorgestellte MEMS-Mikrofon ist eine solche Anwendung. Es ist extrem kompakt und hat einen sehr weiten Frequenzbereich, der bis weit in den Ultraschallbereich geht. So findet es gleich einmal seine Anwendung in dem ebenfalls in diesem ELV Journal vorgestellten Fledermaus-Detektor.

Das eigentliche Mikrofon ist der Chip unter der goldfarbenen Abdeckung.
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Details zu diesem MEMS-Mikrofon

nochmal der Vergleich

Moderne ultrakleine Mikrofone finden sich heutzutage in vielen Handys und Smartphones. Diese sind, wie schon erwähnt, in MEMS-Technik aufgebaut und haben die klassischen Elektret-Mikrofone in diesem Sektor verdrängt. Im Bild ist der direkte Vergleich zwischen diesen beiden Mikrofonen zu sehen. Nicht nur die mechanischen Abmessungen, sondern auch die technischen Daten sind überzeugend. So zeichnen sich MEMS-Mikrofone durch einen hohen Signal-Rausch-Abstand, große Empfindlichkeit und den sehr geringen Stromverbrauch aus.

Es gibt analoge und digitale MEMS-Mikrofon Typen

Bei MEMS-Mikrofonen wird zwischen analogen und digitalen Typen unterschieden. Bei analogen MEMS-Mikrofonen wird aus dem Schallsignal eine entsprechende analoge Ausgangsspannung generiert, während ein digitales MEMS-Mikrofon ein durch Pulsdichtenmodulation (PDM) codiertes Ausgangssignal erzeugt. Im Bild ist der mechanische Aufbau eines MEMS-Mikrofons dargestellt.

Das Mikro wird direkt auf den Wafer geäzt

Das MEMS-Mikrofon wird auch als Mikrofon-Chip oder Silizium-Mikrofon bezeichnet. Eine druckempfindliche Membran wird durch MEMS-Verarbeitungstechniken direkt in einen Siliziumwafer geätzt und ist in der Regel mit einem integrierten Vorverstärker verbunden. Die meisten MEMS-Mikrofone sind Varianten des Kondensatormikrofons.

Digitale MEMS-Mikrofone haben Analog-Digital-Wandler (ADC)-Schaltungen auf dem gleichen CMOS-Chip eingebaut, wodurch der Chip ein digitales Mikrofon ist und so einfacher in moderne digitale Produkte integrierbar ist. Wie man im Bild unten erkennt, gibt es wie bei einem Kondensatormikrofon eine Membran, die zusammen mit der Grundplatte eine Kapazität bildet. Durch die akustischen Schallwellen treten Kapazitätsänderungen auf, die vom ASIC (Elektronik mit Verstärker) weiterverarbeitet werden. Die Schallöffnung, auch Port genannt, kann sich auf der Gehäuseober- oder -unterseite befinden.

Das MEMS-Mikrofon SPU0410LR5H-QB

Das in dieser Schaltung verwendete Mikrofon hat die Typenbezeichnung SPU0410LR5H-QB, es stammt vom Hersteller Knowles. Im Bild rechts ist dieses Mikrofon im Vergleich nochmal dargestellt. Die Besonderheit an dieser Variante liegt darin, dass auch der Ultraschallbereich mit abgedeckt wird. Der Frequenzgang für das SPU0410LR5H-QB ist im Bild weiter unten dargestellt. Tests im Labor haben ergeben, dass viele MEMS-Mikrofone auch ohne spezielle Design- und Schaltungsmaßnahmen für Ultraschall geeignet sind.
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MEMS-Mikrofone - bislang nicht unter 100Hz (absichtlich !)

Ein super Audio-Frequenzgang - nahezu linealgerade

Der Frequenzverlauf unterhalb von 100 Hz ist vom Hersteller nicht angegeben. Allgemein sind MEMS-Mikrofone für sehr tiefe Frequenzen nicht sehr geeignet. Es gibt aber eigentlich nur wenige Fälle in der Aufnahmetechnik, in denen gute Eigenschaften im Tieftonbereich erwünscht sind, so etwa für Musikinstrumente, die tiefe Frequenzen unterhalb von 100 Hz erzeugen. Hier kommen allerdings dafür speziell geeignet Mikrofonsysteme zum Einsatz. Da z. B. Wind und Körperschall sogenannte Rumpelgeräusche erzeugen, sind schlechte Mikrofoneigenschaften im Tieftonbereich für die Haupteinsatzgebiete der MEMS-Mikrofone wohl eher erwünscht und ersparen eine aufwendige Filterschaltung.

Der Ultraschall-Frequengang bis 80 kHz

Der Ultraschall-Frequenzgang liegt bei 80kHz bei -5dB

Für unsere "Vision" eines Ultraschall-Abtasters wichtig :

Das Schaltbild der MEMS-1-Platine ist rechts im Bild dargestellt. Die einfache Schaltung besteht im Prinzip nur aus dem Mikrofon MIC1 vom Typ SPU0410LR5H-QB. Zur Siebung der Versorgungsspannung ist der Kondensator C1 vorhanden. Der Kondensator C2 dient als Koppelkondensator und verhindert, dass die Gleichspannung des MIC1 auf den Ausgang gelangt. - Und alles ist sehr sehr klein und unglaublich leicht.
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Zum Spielen und Experimentieren - für nur 5.- Euro bei ELV

Es wird nur eine ganz kleine Schallöffnung gebraucht

NEU! - ELV Mikrofon MEMS1, Komplettbausatz - Artikel-Nr.:  68-15 14 56 - EUR 4,95
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Es fehlt noch das Gegenstück - der klitzekleine Ultraschall-Sender



Und jetzt kommen wir zu meiner "Vison" :
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Die Vision - Der berührungslose "Mikrofon"-Abtaster :

Stellen Sie sich vor, im Abtastsystem vorne im Tonarm befinden sich zwei kleine Ultraschallsender, die im Winkel von 90° überkreuz in die Rille strahlen und gegenüber oder neben dran befinden sich zwei dieser Mikrofone, die die Amplituden des reflektierten Schalls aufnehmen - genau wie bei den Fledermäusen. Die Fledermäuse errechnen dabei in ihrem "analogen" organischen Gehirn die Richtung und den Abstand des Hindernisses und fliegen drum herum. Wie wollen aber nur die beiden Audio-Signale (Frequenz und Pegel) haben, nichts weiter und das ist eine Menge

Dieses "berührungslose Abtastsystem" könnte - ähnlich wie bei einem CD-Laufwerk - mittels eines Lasers tangential gesteuert mittig über der Rille geführt werden, der Revox Tangentialspieler machts schon so ähnlich vor, und das Abtastsystem könnte auf einer kleinen präzisen Walze oder 2 breiteren präzisen Rädchen rollen und so einen ziemlich genau definierten Oberflächen-Abstand haben.

So könnten sogar leicht wellige Vinyl-Platten perfekt abgespielt werden, und vor allem - ohne Abnutzung und ohne den Stress einer abgeschliffenen Nadelspitze.
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Wie gesagt, es ist eine Vision,

die noch an manchen physikalischen "Kleinigkeiten" anecken oder scheitern kann, zum Beispiel, wie ich mit 80 Kilohertz eine mit 18 Kilohertz geschnittene Rille abtasten kann. Mir ist nicht klar, wie hoch die Sende-Frequenz dieser Trägerfrequenz gesteigert werden müsste, um ein Hifi-Audio-Signal perfekt abzutasten.
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Kommentare und Anregungen sind willkommen.
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