عندما تتحدث في اجتماع افتراضي، أو تقرأ الأوامر الصوتية على الأجهزة الذكية، أو تتحدث عبر الهاتف، فمن المحتمل أن تكون تقنية MEMS هي التي تلتقط صوتك. ويرجع ذلك إلى الاستخدام المتكرر لتقنية أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة هذه في إنشاء مكبرات صوت صغيرة تنتج صوتًا عالي الجودة. في منشور المدونة هذا، نستكشف الفوائد التي تقدمها MEMS للميكروفونات، والتحديات التي تأتي مع إنتاج ميكروفونات MEMS، وكيف يمكن للنمذجة والمحاكاة أن تساعد في جعل عملية تصميم هذه الميكروفونات أكثر كفاءة. نناقش أيضًا أحدث التطورات في مكبرات الصوت الحديثة التي تعتمد على تقنية MEMS.
ميمس الآن
استخدام تكنولوجيا ممس في الميكروفونات يضيف نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية (SNR)، النسبة بين الإشارة الصوتية المطلوبة ومستوى ضوضاء الخلفية. ونظرًا لصغر حجم MEMS، فمن الممكن إضافة ميكروفونات متعددة إلى جهاز، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف. إن قدرة MEMS على توفير نسبة SNR عالية بالإضافة إلى المزايا التي تأتي مع حجمها الصغير تمكن أجهزة MEMS من التصفية وإلغاء الضوضاء النشط (ANC). وهذا ما يسمح لميكروفونات MEMS بالتقاط إشارات صوتية واضحة وتصفية الأجواء الصاخبة من العالم الخارجي. بالإضافة إلى ذلك، فإن الهيكل السيليكوني لميكروفونات MEMS يجعلها مدمجة بسهولة مع المنتجات الرقمية، ومقاومة للاهتزازات التقنية، ويتم إنتاجها بكميات كبيرة بتكلفة منخفضة.
الشكل 1. ميكروفون MEMS.
نظرًا لجميع الفوائد التي تقدمها، يتم استخدام تقنية MEMS بشكل متزايد في الميكروفونات في المنتجات الاستهلاكية، مثل الأجهزة المنزلية الذكية والهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة وأجهزة السمع. في السنوات الأخيرة، أصبحت الحاجة إلى ميكروفونات MEMS أكثر أهمية مع تزايد سيناريوهات العمل من المنزل.
نمذجة ميكروفون MEMS
إن النظر إلى التكنولوجيا الصغيرة بهذا الحجم أصبح أسهل باستخدام برامج المحاكاة، حيث يمكن للمهندسين تصميم الجهاز بدقة وتكبير مجالات الاهتمام المختلفة. في المقياس الصغير لميكروفونات MEMS، عادةً المقياس دون المليمتري، تكون تأثيرات الطبقات الحدودية الحرارية واللزجة مهمة. الطبقات الحدودية مسؤولة عن فقدان الاحتكاك والحرارة في النظام، مما يؤدي إلى إضعاف الاستجابة الصوتية. من المهم تضمين التأثيرات اللزجة والحرارية للحصول على الاستجابة الصوتية الصحيحة لميكروفون MEMS.
ومع استمرار تطور تقنيات التصنيع، أصبح من الممكن تصنيع أجهزة أصغر فأصغر. ومع ذلك، فإن الأحجام الأصغر تؤدي إلى ارتفاع أرقام كنودسن، مما يجعل التأثيرات غير المستمرة مهمة. باستخدام المحاكاة، يمكن للمهندسين اختبار متغيرات متعددة. على سبيل المثال، مع نموذج ميكروفون MEMS الخاص بنا، يمكنك استخدام شرط حدي لتضمين تأثيرات أرقام Knudsen العالية في ميكروفون MEMS.
يتكون الميكروفون من لوحة مثقبة دقيقة (MPP)، وغشاء مهتز، وحجم خلفي مغلق. تم تطبيق شرط الانزلاق على سطح الحجاب الحاجز بحيث تعتمد السرعة العرضية عند الجدار على إجهاد السائل عند الحدود. وهذا يخلق انقطاعًا بين سرعة المادة الصلبة والسائلة.
الشكل 2. ميكروفون MEMS يتكون من MPP وغشاء مهتز.
بعد ذلك، سنستعرض بإيجاز بعض النتائج من النموذج. لا تتردد في الانتقال إلى الإرشادات خطوة بخطوة لإنشاء هذا النموذج عن طريق تنزيله في الجزء السفلي من هذا بلوق وظيفة.
استكشاف النتائج
في بداية الدراسة، يضغط مجال كهربائي على الحجاب الحاجز ليعطيه تشوهًا ثابتًا، يشبه إلى حد كبير شد وتر الجيتار. ثم يتم تطبيق الضغط على السطح فوق MPP، مما يجعل الحجاب الحاجز يهتز ويسبب إشارة كهربائية في الفراغ بين الجزأين، كما هو موضح في الشكل 3.
الشكل 3. الضغط الصوتي في جميع المجالات عند 20 كيلو هرتز.
يكشف فحص السرعة الصوتية، كما هو موضح في الشكل 4، عن مناطق التخميد اللزج التي تتم عبر الفتحات الموجودة في MPP وتدفق الضغط بين MPP والحجاب الحاجز.
الشكل 4. السرعة الصوتية.
وأخيرًا، تم تحليل استجابة تردد ميكروفون MEMS من 200 هرتز إلى 20 كيلو هرتز. تُظهر الترددات المنخفضة تراجعًا حيث تتوقف الاستجابة عن أن تكون مسطحة بسبب الدائرة الكهربائية المقترنة، بينما تنخفض الاستجابة عند الترددات الأعلى. تقع الرنينات الميكانيكية عند ترددات أعلى نظرًا لصغر حجم النموذج، وبالتالي يكون الطيف قريبًا من المستوى المسطح في النطاق الصوتي.
الشكل 5. استجابة التردد.
تعد ميكروفونات MEMS شائعة في الأجهزة اليومية ويتم تحسينها باستمرار بمساعدة النمذجة والمحاكاة. بعد ذلك، سنستكشف طريقة جديدة لاستخدام الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) التي يمكن أن تستفيد أيضًا من استخدام المحاكاة في عملية التصميم.
مسار جديد
تنطبق فوائد ميكروفونات MEMS أيضًا على مكبرات الصوت MEMS، ولكن حتى وقت قريب جدًا، لم تكن تقنية السماعات متاحة تجاريًا. غالبًا ما تعتمد تقنية مكبرات الصوت على نفس النظام الميكانيكي الذي اعتمدته عند اختراعها، والذي يتكون من مغناطيس وملف وحجاب حاجز. وقد تم تحسين هذا النظام على مر العقود، ولكن معظم المتحدثين يواجهون ذلك تحديات تصميم مماثلةوخاصة فيما يتعلق بسماعات الرأس. يمكن أن يكون نظام المغناطيس والملف عرضة للتناقضات في محاذاة الطور، مما قد يؤدي إلى اختلاف الصوت في كل أذن. غالبًا ما لا يكون الحجاب الحاجز نفسه قاسيًا بدرجة كافية للحفاظ على حركة تشبه حركة المكبس للترددات العالية: يمكن أن يلتوي الحجاب الحاجز عند الاستجابة لدفعة المغناطيس، مما يؤدي إلى خطر تشويه بعض الأصوات.
الشكل 6. سماعات الرأس التي تحتوي على برامج تشغيل MEMS.
توفر تقنية MEMS حلولاً لهذه المشاكل. بسبب بنيتها الصلبة لأشباه الموصلات، تقوم مكبرات الصوت MEMS بإزالة المغناطيس، مما يجعل مكبر الصوت أخف وزنًا وأصغر حجمًا، ويكون الإنتاج أكثر اتساقًا، مما يزيل اختلال الطور. الغشاء السيليكوني أكثر صلابة ويبقى خطيًا عند ضخ الهواء، لذلك يبقى الصوت واضحًا وغير مشوش. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع مكبرات الصوت MEMS بتشغيل أسرع من مكبرات الصوت المغناطيسية والملفية، مما يعني أنها أسرع في بدء الصوت وإنهائه، وبالتالي توفر فصلًا أوضح بين الأصوات المختلفة. في الآونة الأخيرة، ظهرت سلسلة من سماعات لاسلكية مع برامج تشغيل MEMS، مما يمثل أول دمج تجاري لتقنية MEMS في نظام مكبرات الصوت.
مستقبل MEMS
تتحسن الميكروفونات ومكبرات الصوت بسرعة مع دمج تقنية MEMS. تستخدم غالبية الميكروفونات بالفعل تقنية MEMS، القادرة على تحليل التفاصيل الصغيرة والأصغر في الإشارات الصوتية، ومن المرجح أن تتبعها سماعات الرأس، التي تتميز بتقنية MEMS التي تقوم بتشغيل التسجيلات بأعلى جودة. للمساعدة في الابتكار في هذه المجالات، توفر المحاكاة طريقة للنظر عن كثب داخل التصاميم الصغيرة، بالإضافة إلى تصميم التصاميم وتحسينها بدقة قبل الحاجة إلى نموذج أولي مادي.
تفتح MEMS العديد من المداخل لتطوير إنتاج الصوت. لذا، في المرة القادمة التي تستمع فيها إلى الموسيقى أو تتحدث عبر مكالمة فيديو، خذ ثانية للتفكير في ما يوجد داخل مكبر الصوت أو الميكروفون، لأنه قد يكون تقنية MEMS!
الخطوة التالية
هل تريد تجربة طراز ميكروفون MEMS؟ يتوفر ملف MPH والتعليمات خطوة بخطوة في معرض التطبيقات:
قراءة متعمقة
- تعرف على المزيد حول تقنية الميكروفون ومكبرات الصوت MEMS من هذه الموارد:
- تعرف على المزيد حول مكبر الصوت والنمذجة الصوتية على مدونة COMSOL: