Mäter frekvens, inte amplitud

– Vi har i efterhand hittat ett par gamla vetenskapliga artiklar där de testat något liknande, men de lyckades inte få det att fungera särskilt bra för de missade viktiga detaljer som krävs för att få bra prestanda. Jag vet inte att någon annan bygger sensorer av den här typen, säger Per Grön.

Det vanliga i mikromekaniska mikrofoner är att använda två plattor som etsats fram och sedan mäta kapacitansen mellan dessa. Tekniken används i bland annat mobiltelefoner och smarta hög­talare men har ett antal nackdelar.

För att få så stor kapacitans som möjligt behöver plattorna vara nära varandra, men det skapar ett luftmotstånd som dämpar membranrörelser. Detta motstånd orsakar ett temperaturberoende mekaniskt brus som uppstår på samma sätt som termiskt brus i elektroniska resistorer.

För att minska luftmotståndet gör man hål i den platta som inte är membranet, men det sänker kapacitansen. För varje design finns ett optimalt antal hål att borra som balanserar det mekaniska bruset och det elektroniska bruset.

– Detta brus sätter en gräns för hur bra dagens mikrofoner kan bli, och det finns inget bra sätt att bli av med det i en kondensatormikrofon. I vår sensor har vi ingen andra kondensatorplatta så den bruskällan finns inte, säger Per Grön.

Mems-mikrofoner har dessutom problem med damm vilket leder till att plattorna med tiden inte kan röra sig helt fritt.

En alternativ lösning är att bara ha en platta och läsa ut rörelserna med laserljus och interferometri. Det gör exempelvis det norska uppstartföretaget Sensibel som uppnår cirka 7 dB lägre brus än vanliga Mems-mikrofoner.

– Det är kromometrin som gör oss annorlunda. Vårt mål är 21 dB lägre brus än den bästa Mems-mikrofonen som finns idag.

Hjärtat av Lumiarys mikrofon är en laser där en av speglarna i laserresonatorn utgör mikrofonmembranet. När mikrofonmembranet utsätts för ljud så ändras resonatorns längd vilket i sin tur modulerar laserns våglängd. Man kan därför se lasern som en FM-sändare men med en bärfrekvens på 350 THz istället för cirka 100 MHz som används för vanlig rundradio.

Genom att mäta våglängden går det sedan att återskapa ljudet i digital form. På grund av att laserljus har ett väldigt smalt spektrum, man kan se det som att färgen är väldigt ren, går det att detektera mycket små väglängdsförändringar, och därmed mycket svaga ljud.

Eftersom fotodioder som konverterar ljus till en elektrisk signal mäter ljusintensitet, inte färg, går det inte att mäta färgen direkt, utan färg måste kodas om till intensitet. Lumiary använder ett optiskt mikrochip med ett system av så kallade Mach-Zehnder-interferometrar för uppgiften.

– Det optiska chippet tar in laserljus med varierande färg och emitterar ett flertal signaler med varierande intensitet. Färgen kodas om till fas i flera olika kvadratursignaler. Vi har designat chippet så att vi kan använda flera AD-omvandlare av SAR-typ med låg upplösning istället för en enda omvandlare av Delta-Sigma-typ, säger Per Grön.

Lumiarys optiska mikrochip har två stora fördelar: För det första är de SAR-konverterare som används upp till 100 gånger mer strömsnåla än Delta-Sigma-­konverterare för ljud. Den andra fördelen är att den lägre AD-­konverterarupplösningen gör det möjligt att använda mycket svagare laserljus utan att begränsas av optiskt skottbrus.

– Vi kan konvertera den frekvensmodulerade signalen från lasern med över 130 dB omfång med bara en halv milliwatt laserljus. Med interferometri skulle det behövas mer än 50 mW, orealistiskt starkt för en miniatyriserad mikrofon.

I det sista steget bearbetas utsignalerna från AD-omvandlaren till en digital representation av ljudet. I den befintliga uppställning används en PC för uppgiften men planen är att byta ut den mot en FPGA vilket ger korta fördröjningar och låg effektförbrukning.

I framtiden hoppas företaget kunna utveckla andra typer av sensorer än mikrofoner.

– Kromometri är egentligen en allmän teknik för att mäta tiden det tar för ljus att röra sig en kort sträcka, upp till cirka en millimeter, med mycket hög upplösning, i storleksordningen 10-21 s. Det går att mäta många olika saker med kromometri, till exempel elektrisk spänning, acceleration eller rotation. Det går också att göra kemiska och biokemiska mätningar av gaser och vätskor. Det finns mycket kvar för Lumiary att utforska.