Mikrofon lytter med lys

En norskutviklet sensor gir mikrofoner superhørsel og retningssans.

Publisert
Forsker Matthieu Lacolle med silisiumskiven som er råstoffet for framstillinga av den nye sensoren som gir mikrofoner superhørsel. (Foto: Sintef)
Forsker Matthieu Lacolle med silisiumskiven som er råstoffet for framstillinga av den nye sensoren som gir mikrofoner superhørsel. (Foto: Sintef)

En sensor som er utviklet av forskere ved Sintefs Mikro og nanolaboratorium, skal bidra til at mikrofoner får superhørsel:

– Se for deg et tradisjonelt utstyr for videokonferanse. Mange mennesker sitter rundt bordet, men mikrofonen ligger ikke slik at lyden blir optimal, sier forsker Matthieu Lacolle.

– Med denne typen teknologi vil mikrofonen kunne «se» hvor lyden kommer fra, plukke opp stemmen til personen som snakker, samt filtrere bort støykilder i rommet, forklarer Lacolle.

Liten og stappfull

Mikrofonen er proppfull av mikroelektronikk. Det som gjør den spesiell, er imidlertid en optisk posisjonssensor som ikke er større enn én millimeter.

Årsaken til at det er en posisjonssensor som spiller hovedrollen, er at en mikrofon er helt avhengig av en membran. Denne registrerer trykkbølgene i lyden.

– I prinsippet fungerer nemlig en mikrofon som en tromme. Du har en membran som vibrerer når den treffes av lyd – som er trykk. Og så har du en referanseflate i bakgrunnen.

– Det er avstanden mellom disse to flatene som registrerer lyden. Dette gjør vi gjennom å måle lysbølger fra en mikroskopisk laser. Derfor kan vi si at sensoren i mikrofoner faktisk ser lyden, forklarer forskeren.

Sensoren kan registrere uhyre små bevegelser, og dermed også svært lave lyder. Lager man en membran lett nok og lar den flagre ut i luften, blir mikrofonen i tillegg retningsfølsom.

– Slik kan vi også finne ut hvor lyden kommer fra, sier Lacolle, og legger til at denne membranen er 100 nanometer tykk - nesten tusen ganger tynnere enn et hårstrå.

Lysfarger

Teknologien som gjør mikrofonen så følsom, bygger på en kombinasjon av to optiske fenomener: interferenser og diffraksjon. Begge fenomenene oppstår på grunn av lysbølger.

–Dersom man holder opp en cd-plate, vil man se et fargespill når lyset reflekteres. Dette oppstår fordi lyset har ulike bølgelengder som for det blotte øye sees som farger, og som blir spredd i ulike retninger. Dette kalles diffraksjon, forklarer Lacolle.

Interferenser er et annet fenomen som kan utnyttes i å måle lyd. Det oppstår når flere bølger legges oppå hverandre. Dette kan du se om du står i en havn der bølgene reflekteres av en brygge og deretter legger seg oppå innkommende bølger fra havet.

Det kan da oppstå komplekse bølgemønstre som kan virke kaotiske, men også noen stående bølger hvor det ser ut som at bølgene ikke beveger seg i det hele tatt, forteller forskeren.

Det Sintef-forskerne har gjort er å utnytte diffraksjonen og optiske interferenser til å måle membranbevegelser mindre enn diamenteren på et atom ved hjelp av den optiske sensoren. 

– Vi har laget helt spesielle mikrostrukturer på referanseflaten som ligger rett under mikrofonens membran. Når laseren belyser disse mikrostrukturene, kan vi lese av i hvilken retning lyset blir reflektert ved hjelp av fotodetektorer, som omdanner lyset til elektriske signaler, Lacolle.

Masseproduseres i laben

Mikrofonen består altså av mange elementer: En ultratynn membran, noen mikrostrukturer som ser ut som bittesmå riller, en miniatyrisert laser og noen fotodetektorer.

Alt integreres i en liten dings som kan masseproduseres på en såkalt wafer: En silisiumplate hvor alle de små strukturene etses inn ved hjelp av spesialutstyr i reneromslaben.

Dette gjør at sensoren blir både ekstremt følsom, hardfør og billig å produsere.

Støvfri framstilling

Framstillingsprosessen er ekstremt sårbar: Et lite støvkorn kan ødelegge en hel produksjon, fordi det kan påvirke de ørsmå mikrostrukturene.

– Derfor er laboratoriet vårt utstyrt med vibrasjonssikkerhet og luftfiltrering som gjør at selv partikler på 100 nanometer filtreres ut, forteller Lacolle.

Vil overvåke støy

Den norske bedriften Norsonic leverer ulike typer måleutstyr for støy, og har planer om å bruke mikrofonen til måling av både lydtrykk og lydeffekt.

– Det som er unikt med denne teknologien er at den kan gi oss en svært følsom mikrofon som kan registrerer lydbølger langt utover det spennet som mikrofoner i denne prisklassen gjør i dag, , sier seniorforsker Ole Herman Bjor i Norsonic.

Det vil sette dem i stand til å konkurrere i et marked som i dag består av utstyr til høye priser.

– I tillegg er den vesentlig mindre – noe som i seg selv er en fordel fordi mikrofonens fysiske størrelse faktisk påvirker lydfeltet som måles, sier seniorforsker Bjor.