Rejoignez le forum des designers !
Votre expertise est essentielle pour la communauté. Rejoignez-nous et apportez vos connaissances !
Rejoindre le forum maintenantPartagez, apprenez et évoluez avec les meilleurs professionnels du secteur.
Lorsque vous prenez la parole lors d’une réunion virtuelle, que vous récitez des commandes vocales dans des appareils intelligents ou que vous parlez au téléphone, il y a de fortes chances que ce soit la technologie MEMS qui capte votre voix. En effet, cette technologie de semi-conducteurs à l’état solide est fréquemment utilisée pour créer de petits haut-parleurs produisant un son de haute qualité. Dans cet article de blog, nous explorons les avantages que les MEMS apportent aux microphones, les défis liés à la production de microphones MEMS et la manière dont la modélisation et la simulation peuvent contribuer à rendre le processus de conception de ces microphones plus efficace. Nous évoquons également les dernières avancées en matière de microphones modernes basés sur la technologie MEMS.
MEMS Now
Utilisation Technologie MEMS dans les microphones permet d’obtenir un rapport signal/bruit élevé (SNR), le rapport entre le signal audio souhaité et le niveau de bruit de fond. Grâce à la petite taille des MEMS, il est possible d’ajouter plusieurs microphones à un appareil, tel qu’un ordinateur portable ou un téléphone. La capacité des MEMS à fournir un rapport signal/bruit élevé, combinée aux avantages liés à leur taille compacte, permet aux dispositifs MEMS de disposer d’un filtrage et d’une annulation active du bruit (ANC). C’est ce qui permet aux microphones MEMS de capter des signaux vocaux clairs et de filtrer les bruits ambiants provenant du monde extérieur. En outre, la structure en silicium des microphones MEMS les rend facilement intégrables dans les produits numériques, résistants aux vibrations techniques et peu coûteux à produire en série.
Figure 1. Microphone MEMS.
En raison de tous les avantages qu’elle offre, la technologie MEMS est de plus en plus utilisée dans les microphones des produits de consommation, tels que les appareils domestiques intelligents, les téléphones cellulaires, les tablettes, les ordinateurs de bureau et les ordinateurs portables, ainsi que les appareils auditifs. Ces dernières années, le besoin de microphones MEMS est devenu encore plus important avec l’augmentation des scénarios de travail à domicile.
Modélisation d’un microphone MEMS
L’étude d’une technologie aussi petite est facilitée par les logiciels de simulation, qui permettent aux ingénieurs de modéliser avec précision le dispositif et de zoomer sur les différentes zones d’intérêt. À la petite échelle des microphones MEMS, typiquement l’échelle submillimétrique, les effets des couches limites thermiques et visqueuses sont importants. Les couches limites sont responsables des pertes par frottement et des pertes thermiques dans le système, qui atténuent la réponse acoustique. Il est important d’inclure les effets visqueux et thermiques pour obtenir la réponse acoustique correcte d’un microphone MEMS.
Les techniques de fabrication continuant à se développer, il est possible de fabriquer des dispositifs de plus en plus petits. Cependant, les petites tailles entraînent des Chiffres de Knudsence qui rend les effets de non-continuum importants. Grâce à la simulation, les ingénieurs peuvent tester plusieurs variables. Par exemple, avec notre modèle de microphone MEMS, vous pouvez utiliser une condition limite pour inclure les effets des nombres de Knudsen élevés dans un microphone MEMS.
Le microphone se compose d’une plaque microperforée (MPP), d’un diaphragme vibrant et d’un volume arrière fermé. Une condition de glissement a été appliquée à la surface du diaphragme de sorte que la vitesse tangentielle à la paroi dépende de la contrainte du fluide à la limite. Cela crée une discontinuité entre la vitesse du solide et celle du fluide.
Figure 2. Microphone MEMS composé d’un MPP et d’une membrane vibrante.
Ensuite, nous passerons brièvement en revue certains des résultats du modèle. N’hésitez pas à passer directement aux instructions de construction de ce modèle en les téléchargeant. au bas de cet article de blog.
Explorer les résultats
Au début de l’étude, un champ électrique exerce une précontrainte sur le diaphragme pour lui donner une déformation stationnaire, un peu comme si l’on tendait une corde de guitare. Une pression est ensuite appliquée à la surface au-dessus du MPP, ce qui fait vibrer le diaphragme et provoque un signal électrique dans l’espace entre les deux parties, comme le montre la figure 3.
Figure 3. Pression acoustique dans tous les domaines à 20 kHz.
L’étude de la vitesse acoustique, comme le montre la figure 4, révèle que les zones d’amortissement visqueux se trouvent dans les trous de la MPP et dans le flux d’écrasement entre la MPP et le diaphragme.
Figure 4. Vitesse acoustique.
Enfin, la réponse en fréquence du microphone MEMS de 200 Hz à 20 kHz est analysée. Les basses fréquences montrent une décroissance dans laquelle la réponse cesse d’être plate en raison du circuit électrique couplé, tandis que la réponse chute aux fréquences plus élevées. Les résonances mécaniques sont situées à des fréquences plus élevées en raison de la petite échelle de longueur du modèle, et le spectre est donc presque plat dans la gamme audio.
Figure 5. Réponse en fréquence.
Les microphones MEMS sont courants dans les appareils de tous les jours et sont constamment améliorés à l’aide de la modélisation et de la simulation. Nous allons maintenant explorer une nouvelle voie d’utilisation des MEMS qui pourrait également bénéficier de l’utilisation de la simulation dans le processus de conception.
Une nouvelle trajectoire
Les avantages des microphones MEMS s’appliquent également aux haut-parleurs MEMS, mais jusqu’à très récemment, la technologie des haut-parleurs n’était pas disponible dans le commerce. La technologie des haut-parleurs repose souvent sur le même système mécanique qu’au moment de son invention, composé d’un aimant, d’une bobine et d’un diaphragme. Ce système a été amélioré au fil des décennies, mais la plupart des haut-parleurs rencontrent des problèmes de fonctionnement. des défis similaires en matière de conceptionnotamment en ce qui concerne les casques d’écoute. Le système d’aimant et de bobine peut être sujet à des divergences dans l’alignement de la phase, ce qui peut conduire à un son différent dans chaque oreille. Le diaphragme lui-même n’est souvent pas assez rigide pour conserver un mouvement de piston pour les hautes fréquences : le diaphragme peut se déformer lorsqu’il répond à la poussée de l’aimant, ce qui risque de brouiller certains sons.
Figure 6. Casques d’écoute dotés de transducteurs MEMS.
La technologie MEMS apporte des solutions à ces problèmes. Grâce à sa construction semi-conductrice à l’état solide, un haut-parleur MEMS supprime l’aimant, ce qui rend le haut-parleur plus léger et plus petit, et la production est plus uniforme, ce qui élimine le désalignement de phase. Le diaphragme en silicium est plus rigide et reste linéaire lorsqu’il pompe de l’air, de sorte que le son reste clair et sans bavure. En outre, les haut-parleurs MEMS ont une action plus rapide qu’un haut-parleur à aimant et à bobine, ce qui signifie qu’ils sont plus rapides à initier et à terminer un son et qu’ils permettent donc une séparation plus nette entre les différents sons. Récemment, une série de écouteurs sans fil équipé de haut-parleurs MEMS a été lancé, marquant la première intégration commerciale de la technologie MEMS dans un système de haut-parleurs.
L’avenir des MEMS
Les microphones et les haut-parleurs s’améliorent rapidement grâce à l’intégration de la technologie MEMS. La majorité des microphones utilisent déjà la technologie MEMS, capable d’analyser des détails de plus en plus petits dans les signaux audio, et les casques suivront probablement, dotés de la technologie MEMS qui permet de lire des enregistrements de la plus haute qualité. Pour favoriser l’innovation dans ces domaines, la simulation permet d’examiner de près les petites conceptions, de les modéliser avec précision et de les optimiser avant d’avoir besoin d’un prototype physique.
Les MEMS ouvrent de nombreuses portes à l’amélioration de la production sonore. Ainsi, la prochaine fois que vous écouterez de la musique ou que vous parlerez lors d’un appel vidéo, prenez une seconde pour réfléchir à ce qu’il y a à l’intérieur de votre micro-haut-parleur ou de votre microphone, car il s’agit peut-être de la technologie MEMS !
Étape suivante
Vous voulez essayer le modèle de microphone MEMS ? Le fichier MPH et les instructions étape par étape sont disponibles dans la galerie d’applications :
Pour en savoir plus
- Pour en savoir plus sur la technologie des microphones et haut-parleurs MEMS, consultez les ressources suivantes :
- Pour en savoir plus sur la modélisation acoustique et des haut-parleurs, consultez le blog COMSOL :
Rejoignez le forum des designers !
Votre expertise est essentielle pour la communauté. Rejoignez-nous et apportez vos connaissances !
Rejoindre le forum maintenantPartagez, apprenez et évoluez avec les meilleurs professionnels du secteur.