Cuando habla en una reunión virtual, recita comandos de voz en dispositivos inteligentes o habla por teléfono, es muy probable que sea la tecnología MEMS la que capte su voz. Esto se debe al uso frecuente de esta tecnología de semiconductores de estado sólido en la creación de pequeños altavoces que producen un sonido de alta calidad. En esta entrada del blog, exploramos las ventajas que los MEMS aportan a los micrófonos, los retos que conlleva la producción de micrófonos MEMS y cómo el modelado y la simulación pueden ayudar a que el proceso de diseño de estos micrófonos sea más eficiente. También hablamos de los últimos avances en los modernos microaltavoces impulsados por la tecnología MEMS.
MEMS ahora
Utilizando Tecnología MEMS en los micrófonos añade una elevada relación señal/ruido (SNR), la relación entre la señal de audio deseada y el nivel de ruido de fondo. Y debido al pequeño tamaño de los MEMS, es posible añadir varios micrófonos a un dispositivo, como ordenadores portátiles o teléfonos. La capacidad de los MEMS para proporcionar una SNR elevada, combinada con las ventajas que conlleva su tamaño compacto, permite que los dispositivos MEMS dispongan de filtrado y cancelación activa del ruido (ANC). Esto es lo que permite a los micrófonos MEMS captar señales de voz claras y filtrar el ambiente ruidoso del mundo exterior. Además, la estructura de silicio de los micrófonos MEMS hace que se integren fácilmente en los productos digitales, que sean resistentes a las vibraciones técnicas y que se produzcan en serie de forma económica.
Figura 1. Un micrófono MEMS.
Debido a todas las ventajas que proporcionan, la tecnología MEMS se utiliza cada vez más en micrófonos de productos de consumo, como dispositivos domésticos inteligentes, teléfonos móviles, tabletas, ordenadores de sobremesa y portátiles, y audífonos. En los últimos años, la necesidad de micrófonos MEMS se ha vuelto aún más importante a medida que han aumentado los escenarios de trabajo desde casa.
Modelado de un micrófono MEMS
Observar el interior de una tecnología tan pequeña resulta más fácil con un software de simulación, con el que los ingenieros pueden modelar con precisión el dispositivo y ampliar las distintas áreas de interés. A la pequeña escala de los micrófonos MEMS, normalmente la escala submilimétrica, los efectos de las capas límite térmica y viscosa son importantes. Las capas límite son responsables de las pérdidas térmicas y por fricción del sistema, que amortiguarán la respuesta acústica. Es importante incluir los efectos viscosos y térmicos para obtener la respuesta acústica correcta de un micrófono MEMS.
A medida que las técnicas de fabricación siguen desarrollándose, es posible fabricar dispositivos cada vez más pequeños. Sin embargo, los tamaños más pequeños conllevan un alto números de Knudsen, lo que hace que los efectos no continuos sean importantes. Con la simulación, los ingenieros pueden probar múltiples variables. Por ejemplo, con nuestro modelo de micrófono MEMS, puede utilizar una condición de contorno para incluir los efectos de los números de Knudsen elevados en un micrófono MEMS.
El micrófono consta de una placa microperforada (MPP), un diafragma vibrante y un volumen de respaldo cerrado. Se ha aplicado una condición de deslizamiento a la superficie del diafragma para que la velocidad tangencial en la pared dependa de la tensión del fluido en el límite. Esto crea una discontinuidad entre la velocidad del sólido y la del fluido.
Figura 2. Micrófono MEMS formado por un MPP y una membrana vibratoria.
A continuación, repasaremos brevemente algunos de los resultados del modelo. Siéntase libre de saltar a las instrucciones paso a paso para construir este modelo descargándolo al final de esta entrada del blog.
Exploración de los resultados
Al principio del estudio, un campo eléctrico tensa el diafragma para darle una deformación estacionaria, como si se tensara una cuerda de guitarra. A continuación, se aplica presión a la superficie por encima del MPP, haciendo que el diafragma vibre y provoque una señal eléctrica en el espacio entre las dos partes, como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Presión acústica en todos los dominios a 20 kHz.
La investigación de la velocidad acústica, como se muestra en la figura 4, revela que las zonas de amortiguación viscosa se producen a través de los orificios del MPP y del flujo de compresión entre el MPP y el diafragma.
Figura 4. Velocidad acústica.
Por último, se analiza la respuesta en frecuencia del micrófono MEMS de 200 Hz a 20 kHz. Las frecuencias más bajas muestran un roll-off en el que la respuesta deja de ser plana debido al circuito eléctrico acoplado, mientras que la respuesta cae en las frecuencias más altas. Las resonancias mecánicas se localizan en las frecuencias más altas debido a la pequeña escala de longitud del modelo, por lo que el espectro es casi plano en la gama de audio.
Figura 5. Respuesta en frecuencia.
Los micrófonos MEMS son habituales en los dispositivos cotidianos y se mejoran constantemente con la ayuda del modelado y la simulación. A continuación, exploraremos una nueva vía de utilización de los MEMS que también podría beneficiarse del uso de la simulación en el proceso de diseño.
Una nueva trayectoria
Las ventajas de los micrófonos MEMS también se aplican a los altavoces MEMS, pero hasta hace muy poco, la tecnología de altavoces no estaba disponible comercialmente. La tecnología de altavoces suele basarse en el mismo sistema mecánico que tenía en el momento de su invención, compuesto por un imán, una bobina y un diafragma. Este sistema se ha ido mejorando a lo largo de las décadas, pero la mayoría de los altavoces encuentran retos de diseño similares, especialmente en lo que se refiere a los auriculares. El sistema de imán y bobina puede ser susceptible a discrepancias en la alineación de fase, lo que puede dar lugar a un sonido diferente en cada oído. El propio diafragma no suele ser lo suficientemente rígido para mantener un movimiento similar al de un pistón para las frecuencias altas: el diafragma puede alabearse al responder al empuje del imán, lo que corre el riesgo de enturbiar algunos sonidos.
Figura 6. Auriculares con controladores MEMS.
La tecnología MEMS ofrece soluciones a estos problemas. Gracias a su construcción con semiconductores de estado sólido, un altavoz MEMS elimina el imán, con lo que el altavoz es más ligero y pequeño, y la producción es más uniforme, eliminando la desalineación de fase. El diafragma de silicio es más rígido y se mantiene lineal al bombear aire, por lo que el sonido se mantiene claro y sin interferencias. Además, los altavoces MEMS tienen un accionamiento más rápido que un altavoz de imán y bobina, lo que significa que son más rápidos a la hora de iniciar y finalizar un sonido y, por tanto, proporcionan una separación más clara entre los distintos sonidos. Recientemente, una serie de auriculares inalámbricos con transductores MEMS, marcando la primera incorporación comercial de la tecnología MEMS a un sistema de altavoces.
El futuro de los MEMS
Los micrófonos y los altavoces están mejorando rápidamente con la incorporación de la tecnología MEMS. La mayoría de los micrófonos ya utilizan tecnología MEMS, capaz de analizar minucias cada vez más pequeñas en las señales de audio, y probablemente les seguirán los auriculares, con tecnología MEMS que reproduce grabaciones de la máxima calidad. Para ayudar a la innovación en estas áreas, la simulación proporciona una forma de observar de cerca el interior de los pequeños diseños, así como de modelarlos y optimizarlos con precisión antes de necesitar un prototipo físico.
Los MEMS abren muchas puertas al avance de la producción de sonido. Así que, la próxima vez que escuche música o hable por videoconferencia, tómese un segundo para pensar qué hay dentro de su microaltavoz o micrófono, ¡porque puede ser tecnología MEMS!
Siguiente paso
¿Quiere probar el modelo de micrófono MEMS? El archivo MPH y las instrucciones paso a paso están disponibles en la Galería de aplicaciones:
Más información
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