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Wenn Sie in einem virtuellen Meeting das Wort ergreifen, Sprachbefehle in ein intelligentes Gerät eingeben oder ein Telefongespräch führen, besteht eine gute Chance, dass Ihre Stimme von der MEMS-Technologie aufgenommen wird. Das liegt daran, dass diese Festkörper-Halbleitertechnologie häufig für die Herstellung kleiner Lautsprecher verwendet wird, die einen hochwertigen Klang erzeugen. In diesem Blogbeitrag gehen wir auf die Vorteile von MEMS-Mikrofonen ein, auf die Herausforderungen bei der Herstellung von MEMS-Mikrofonen und darauf, wie Modellierung und Simulation den Designprozess dieser Mikrofone effizienter gestalten können. Außerdem gehen wir auf die neuesten Fortschritte bei modernen Mikrolautsprechern ein, die mit MEMS-Technologie betrieben werden.
MEMS Jetzt
Verwendung von MEMS-Technologie in Mikrofonen führt zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), dem Verhältnis zwischen dem gewünschten Audiosignal und dem Pegel des Hintergrundrauschens. Und aufgrund der geringen Größe von MEMS ist es möglich, mehrere Mikrofone in ein Gerät, wie z.B. Laptops oder Telefone, einzubauen. Die Fähigkeit von MEMS, einen hohen SNR zu liefern, kombiniert mit den Vorteilen, die sich aus ihrer kompakten Größe ergeben, ermöglicht MEMS-Geräte mit Filterung und aktiver Geräuschunterdrückung (ANC). Dadurch können MEMS-Mikrofone klare Sprachsignale aufnehmen und laute Umgebungsgeräusche aus der Außenwelt herausfiltern. Darüber hinaus lassen sich MEMS-Mikrofone aufgrund ihrer Siliziumstruktur leicht in digitale Produkte integrieren, sind resistent gegen technische Vibrationen und können kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden.
Abbildung 1. Ein MEMS-Mikrofon.
Aufgrund der vielen Vorteile, die sie bieten, wird die MEMS-Technologie zunehmend in Mikrofonen für Verbraucherprodukte wie Smart Home-Geräte, Mobiltelefone, Tablets, Desktop- und Laptop-Computer sowie Hörgeräte eingesetzt. In den letzten Jahren ist der Bedarf an MEMS-Mikrofonen sogar noch wichtiger geworden, da die Arbeit von zu Hause aus zugenommen hat.
Modellierung eines MEMS-Mikrofons
Der Blick ins Innere einer so kleinen Technologie wird durch eine Simulationssoftware erleichtert, mit der Ingenieure das Gerät genau modellieren und die verschiedenen Bereiche, die von Interesse sind, heranzoomen können. In dem kleinen Maßstab der MEMS-Mikrofone, typischerweise im Submillimeterbereich, sind die Auswirkungen der thermischen und viskosen Grenzschichten wichtig. Die Grenzschichten sind sowohl für Reibungs- als auch für Wärmeverluste im System verantwortlich, die die akustische Reaktion dämpfen. Es ist wichtig, die viskosen und thermischen Effekte zu berücksichtigen, um die korrekte akustische Reaktion eines MEMS-Mikrofons zu erhalten.
Mit der Weiterentwicklung der Fertigungstechniken ist es möglich, immer kleinere Geräte herzustellen. Allerdings führen die kleineren Größen zu hohen Knudsen-Zahlenund machen Nicht-Kontinuumseffekte wichtig. Mit der Simulation können Ingenieure mehrere Variablen testen. Mit unserem Modell eines MEMS-Mikrofons können Sie zum Beispiel eine Randbedingung verwenden, um die Auswirkungen hoher Knudsen-Zahlen in einem MEMS-Mikrofon zu berücksichtigen.
Das Mikrofon besteht aus einer mikroperforierten Platte (MPP), einer schwingenden Membran und einem geschlossenen Stützvolumen. Auf die Oberfläche der Membran wurde eine Schlupfbedingung angewandt, so dass die tangentiale Geschwindigkeit an der Wand von der Spannung der Flüssigkeit an der Grenze abhängt. Dadurch entsteht eine Diskontinuität zwischen der Geschwindigkeit des Festkörpers und der der Flüssigkeit.
Abbildung 2. MEMS-Mikrofon, bestehend aus einem MPP und einer schwingenden Membran.
Als Nächstes werden wir kurz auf einige der Ergebnisse des Modells eingehen. Sie können die Schritt-für-Schritt-Anleitung für den Bau dieses Modells herunterladen und direkt loslegen am Ende dieses Blogbeitrags.
Erkundung der Ergebnisse
Zu Beginn der Studie wird die Membran durch ein elektrisches Feld vorgespannt, um ihr eine stationäre Verformung zu verleihen, ähnlich wie beim Spannen einer Gitarrensaite. Dann wird Druck auf die Oberfläche oberhalb des MPP ausgeübt, wodurch die Membran in Schwingung versetzt wird und ein elektrisches Signal im Raum zwischen den beiden Teilen entsteht, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3. Akustischer Druck in allen Domänen bei 20 kHz.
Die Untersuchung der Schallgeschwindigkeit, wie in Abbildung 4 dargestellt, zeigt, dass die Bereiche der viskosen Dämpfung über die Löcher in der MPP und die Quetschströmung zwischen der MPP und der Membran erfolgen.
Abbildung 4. Akustische Geschwindigkeit.
Zum Schluss wird der Frequenzgang des MEMS-Mikrofons von 200 Hz bis 20 kHz analysiert. Bei den unteren Frequenzen zeigt sich ein Roll-Off, bei dem der Frequenzgang aufgrund des gekoppelten elektrischen Schaltkreises nicht mehr flach ist, während der Frequenzgang bei den höheren Frequenzen abfällt. Die mechanischen Resonanzen befinden sich aufgrund der kleinen Längenskala des Modells bei höheren Frequenzen, weshalb das Spektrum im Audiobereich nahezu flach ist.
Abbildung 5. Frequenzgang.
MEMS-Mikrofone sind in alltäglichen Geräten weit verbreitet und werden mit Hilfe von Modellierung und Simulation ständig verbessert. Als Nächstes werden wir einen neuen Anwendungsbereich für MEMS erkunden, der ebenfalls vom Einsatz der Simulation im Designprozess profitieren könnte.
Eine neue Flugbahn
Die Vorteile von MEMS-Mikrofonen gelten auch für MEMS-Lautsprecher, aber bis vor kurzem war die Lautsprechertechnologie noch nicht kommerziell verfügbar. Die Lautsprechertechnologie stützt sich häufig auf dasselbe mechanische System wie bei ihrer Erfindung, bestehend aus einem Magneten, einer Spule und einer Membran. Dieses System ist im Laufe der Jahrzehnte verbessert worden, aber die meisten Lautsprecher haben mit ähnliche Design-Herausforderungen, insbesondere bei Kopfhörern. Das Magnet- und Spulensystem kann für Diskrepanzen in der Phasenausrichtung anfällig sein, was zu einem unterschiedlichen Klang in jedem Ohr führen kann. Die Membran selbst ist oft nicht steif genug, um eine kolbenähnliche Bewegung für hohe Frequenzen aufrechtzuerhalten: Die Membran kann sich verformen, wenn sie auf den Druck des Magneten reagiert, was das Risiko birgt, dass einige Klänge verwaschen werden.
Abbildung 6. Kopfhörer mit MEMS-Treibern.
Die MEMS-Technologie bietet Lösungen für diese Probleme. Aufgrund der Festkörper-Halbleiterkonstruktion entfällt bei einem MEMS-Lautsprecher der Magnet, wodurch der Lautsprecher leichter und kleiner wird, und die Produktion ist gleichmäßiger, wodurch Phasenversatz vermieden wird. Die Siliziummembran ist steifer und bleibt beim Pumpen von Luft linear, so dass der Klang klar und unverfälscht bleibt. Außerdem lassen sich MEMS-Lautsprecher schneller betätigen als Magnet- und Spulenlautsprecher, was bedeutet, dass sie einen Ton schneller einleiten und beenden und somit eine klarere Trennung zwischen verschiedenen Tönen ermöglichen. Kürzlich wurde eine Reihe von kabellosen Kopfhörern mit MEMS-Treibern auf den Markt gebracht. Dies war der erste kommerzielle Einsatz von MEMS-Technologie in einem Lautsprechersystem.
Die Zukunft von MEMS
Mikrofone und Lautsprecher werden durch den Einsatz von MEMS-Technologie immer besser. Die meisten Mikrofone verwenden bereits MEMS-Technologie, die in der Lage ist, immer kleinere Details in Audiosignalen herauszufiltern, und Kopfhörer werden wahrscheinlich folgen und mit MEMS-Technologie ausgestattet sein, die Aufnahmen in höchster Qualität wiedergibt. Um die Innovation in diesen Bereichen zu unterstützen, bietet die Simulation eine Möglichkeit, einen genauen Blick in kleine Designs zu werfen und diese genau zu modellieren und zu optimieren, bevor ein physischer Prototyp benötigt wird.
MEMS öffnet viele Türen, um die Klangproduktion voranzutreiben. Wenn Sie also das nächste Mal Musik hören oder ein Videogespräch führen, sollten Sie sich einen Moment Zeit nehmen, um darüber nachzudenken, was in Ihrem Mikrolautsprecher oder Mikrofon steckt, denn es könnte die MEMS-Technologie sein!
Nächster Schritt
Möchten Sie das MEMS-Mikrofonmodell ausprobieren? Die MPH-Datei und eine schrittweise Anleitung finden Sie in der Anwendungsgalerie:
Weitere Lektüre
- Erfahren Sie mehr über die MEMS-Mikrofon- und Lautsprechertechnologie in diesen Ressourcen:
- Erfahren Sie mehr über die Modellierung von Lautsprechern und Akustik auf dem COMSOL Blog:
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