当您在虚拟会议上大声说话、对智能设备背诵语音命令或通过电话交谈时，很有可能是 MEMS 技术接收到了您的声音。这是因为这种固态半导体技术经常被用于制造能产生高质量声音的小型扬声器。在这篇博文中，我们将探讨 MEMS 为麦克风带来的好处、生产 MEMS 麦克风所面临的挑战，以及建模和仿真如何帮助提高这些麦克风设计过程的效率。我们还将讨论由 MEMS 技术驱动的现代微型扬声器的最新进展。
MEMS Now
使用 微机电系统技术 在麦克风中增加了高信噪比 (信噪比SNR），即所需音频信号与背景噪声电平之间的比值。由于 MEMS 体积小，因此可以在笔记本电脑或手机等设备上添加多个麦克风。MEMS 能够提供高信噪比，加上其体积小所带来的优势，使 MEMS 设备具有滤波和主动降噪（ANC）功能。这使得 MEMS 麦克风能够拾取清晰的语音信号，并过滤掉来自外界的嘈杂环境。此外，MEMS 麦克风的硅结构使其很容易与数字产品集成，耐技术振动，而且批量生产的成本低廉。
图 1.微机电系统麦克风
由于 MEMS 麦克风所具有的各种优点，MEMS 技术正越来越多地应用于智能家居设备、手机、平板电脑、台式机和笔记本电脑以及助听器等消费产品的麦克风中。近年来，随着在家办公场景的增多，对 MEMS 麦克风的需求变得更加重要。
MEMS 麦克风建模
有了仿真软件，工程师就可以对设备进行精确建模，并放大不同的关注区域，从而更容易了解如此微小的技术内部。在微机电系统麦克风的小尺度（通常是亚毫米尺度）上，热边界层和粘性边界层的影响非常重要。边界层对系统中的摩擦损耗和热损耗都有影响，会抑制声学响应。要获得 MEMS 麦克风的正确声学响应，必须将粘性和热效应考虑在内。
随着制造技术的不断发展，有可能制造出越来越小的设备。然而，较小的尺寸会导致较高的 克努森数因此，非连续效应非常重要。通过模拟，工程师可以测试多个变量。例如，利用我们的 MEMS 麦克风模型，您可以使用边界条件来包括 MEMS 麦克风中高努森数的影响。
麦克风由一个微穿孔板 (MPP)、一个振动膜片和一个封闭的衬底体积组成。膜片表面采用了滑移条件，因此壁面的切向速度取决于边界处的流体应力。这就在固体和流体的速度之间产生了不连续性。
图 2.由 MPP 和振动膜组成的 MEMS 麦克风。
接下来，我们将简要介绍该模型的一些结果。您可以通过下载该模型的分步说明，直接跳转到建立该模型的步骤说明 本博文底部.
探索结果
研究开始时，电场会对膜片施加预应力，使其产生静态变形，就像拉紧吉他弦一样。然后向 MPP 上方的表面施加压力，使隔膜振动，并在两部分之间的空间产生电信号，如图 3 所示。
图 3.20 kHz 时所有域的声压。
如图 4 所示，对声速的研究表明，粘滞阻尼区域是通过 MPP 上的孔以及 MPP 和膜片之间的挤压流产生的。
图 4.声速
最后，分析了 MEMS 麦克风从 200 Hz 到 20 kHz 的频率响应。低频出现滚降，由于耦合电路的原因，响应不再平坦，而高频时响应下降。由于模型的长度尺度较小，机械共振位于较高频率，因此在音频范围内频谱接近平坦。
图 5.频率响应。
MEMS 麦克风在日常设备中很常见，并在建模和仿真的帮助下不断改进。接下来，我们将探讨 MEMS 的一种新用途，在设计过程中使用仿真技术也能使其受益。
新的轨迹
微机电系统麦克风的优点同样适用于微机电系统扬声器，但直到最近，这种扬声器技术还没有商业化。扬声器技术通常依赖于与发明时相同的机械系统，由磁铁、线圈和膜片组成。几十年来，这一系统不断得到改进，但大多数扬声器都会遇到以下问题 类似的设计挑战特别是在耳机方面。磁铁和线圈系统很容易出现相位偏差，从而导致每只耳朵听到不同的声音。振膜本身往往不够坚硬，无法在高频时保持活塞式运动：振膜在响应磁铁推动时可能会翘起，这就有可能使某些声音变得浑浊。
图 6.采用微机电系统驱动器的耳机。
MEMS 技术为这些问题提供了解决方案。由于采用了固态半导体结构，MEMS 扬声器去除了磁铁，因此重量更轻、体积更小、音量更均匀，从而消除了相位偏差。硅振膜更坚硬，在抽气时保持线性，因此声音保持清晰、无杂音。此外，与磁铁和线圈扬声器相比，MEMS 扬声器的启动速度更快，这意味着它们能更快地启动和结束声音，因此能更清晰地分离不同的声音。最近，一系列 无线耳机 发布，标志着首次将 MEMS 技术应用于商业扬声器系统。
微机电系统的未来
随着微机电系统（MEMS）技术的应用，麦克风和扬声器的性能正在迅速提高。大多数麦克风已经采用了 MEMS 技术，能够解析出音频信号中越来越小的细微差别，耳机也很可能会采用 MEMS 技术，以播放最高质量的录音。为了帮助这些领域的创新，仿真技术提供了一种仔细观察小型设计的方法，还能在需要物理原型之前对设计进行精确建模和优化。
MEMS 为推动声音制作开辟了许多途径。因此，当您下一次听音乐或进行视频通话时，请花点时间想一想您的微型扬声器或麦克风里装的是什么，因为它可能就是 MEMS 技术！
下一步
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