가상 회의에서 발언하거나 스마트 기기에 음성 명령을 내리거나 전화로 통화할 때, 사용자의 목소리를 인식하는 것은 MEMS 기술일 가능성이 높습니다. 이는 고품질 사운드를 생성하는 소형 스피커를 만드는 데 이 고체 반도체 기술이 자주 사용되기 때문입니다. 이 블로그 게시물에서는 MEMS가 마이크에 가져다주는 이점, MEMS 마이크 생산 시 발생하는 과제, 모델링과 시뮬레이션이 이러한 마이크의 설계 프로세스를 보다 효율적으로 만드는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 살펴봅니다. 또한 MEMS 기술로 구동되는 최신 마이크로스피커의 최신 발전에 대해서도 논의합니다.
지금 MEMS
사용 MEMS 기술 는 마이크에 높은 신호 대 잡음비(SNR)은 원하는 오디오 신호와 배경 소음 수준 사이의 비율입니다. 또한 MEMS는 크기가 작기 때문에 노트북이나 휴대폰과 같은 장치에 여러 개의 마이크를 추가할 수 있습니다. 높은 SNR을 제공하는 MEMS의 능력과 작은 크기에서 오는 이점을 결합하여 MEMS 장치는 필터링 및 능동형 소음 제거(ANC) 기능을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 MEMS 마이크는 선명한 음성 신호를 포착하고 외부의 시끄러운 주변 환경을 필터링할 수 있습니다. 또한 MEMS 마이크는 실리콘 구조로 되어 있어 디지털 제품과 쉽게 통합되고, 기술적 진동에 강하며, 저렴하게 대량 생산할 수 있습니다.
그림 1. MEMS 마이크.
MEMS 기술이 제공하는 모든 장점으로 인해 스마트 홈 기기, 휴대폰, 태블릿, 데스크톱 및 노트북 컴퓨터, 보청기 등 소비자 제품의 마이크에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 최근에는 재택근무가 증가함에 따라 MEMS 마이크의 필요성이 더욱 중요해지고 있습니다.
MEMS 마이크 모델링
엔지니어가 장치를 정확하게 모델링하고 관심 있는 여러 영역을 확대할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 이렇게 작은 기술 내부를 쉽게 살펴볼 수 있습니다. 일반적으로 1밀리미터 미만의 작은 규모의 MEMS 마이크에서는 열 및 점성 경계층의 영향이 중요합니다. 경계층은 시스템에서 마찰 및 열 손실을 모두 담당하여 음향 응답을 감쇠시킵니다. MEMS 마이크의 정확한 음향 응답을 얻으려면 점성 및 열 효과를 포함하는 것이 중요합니다.
제조 기술이 계속 발전함에 따라 점점 더 작은 장치를 제조할 수 있게 되었습니다. 하지만 크기가 작아질수록 크누센 수비연속성 효과가 중요합니다. 시뮬레이션을 통해 엔지니어는 여러 변수를 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 유니티의 MEMS 마이크 모델을 사용하면 경계 조건을 사용하여 높은 크누센 수의 영향을 MEMS 마이크에 포함시킬 수 있습니다.
마이크는 미세 천공판(MPP), 진동 다이어프램, 닫힌 백킹 볼륨으로 구성됩니다. 다이어프램의 표면에 슬립 조건이 적용되어 벽의 접선 속도가 경계에서 유체의 응력에 따라 달라집니다. 이렇게 하면 고체와 유체의 속도 사이에 불연속성이 생깁니다.
그림 2. MPP와 진동 멤브레인으로 구성된 MEMS 마이크.
다음으로 이 모델의 결과 중 몇 가지를 간략하게 살펴보겠습니다. 이 모델을 다운로드하여 이 모델을 만드는 단계별 지침으로 바로 이동하세요. 블로그 게시물 하단에 있는.
결과 살펴보기
연구를 시작할 때 전기장이 다이어프램에 프레스트레스를 가해 기타 줄을 조이는 것처럼 고정된 변형을 일으킵니다. 그런 다음 그림 3과 같이 MPP 위의 표면에 압력이 가해져 다이어프램이 진동하고 두 부분 사이의 공간에 전기 신호가 발생합니다.
그림 3. 20kHz에서 모든 영역의 음향 압력.
그림 4에서와 같이 음향 속도를 조사하면 점성 감쇠 영역이 MPP의 구멍과 MPP와 다이어프램 사이의 압착 흐름을 통해 이루어짐을 알 수 있습니다.
그림 4. 음향 속도.
마지막으로 200Hz에서 20kHz까지의 MEMS 마이크의 주파수 응답을 분석합니다. 낮은 주파수에서는 결합된 전기 회로로 인해 응답이 평탄하지 않은 롤오프가 나타나고, 높은 주파수에서는 응답이 떨어집니다. 기계적 공진은 모델의 길이 스케일이 작기 때문에 더 높은 주파수에 위치하므로 오디오 범위에서 스펙트럼이 거의 평평합니다.
그림 5. 주파수 응답.
MEMS 마이크는 일상적인 장치에서 흔히 볼 수 있으며 모델링과 시뮬레이션의 도움으로 지속적으로 개선되고 있습니다. 다음에서는 설계 프로세스에서 시뮬레이션을 활용하면 이점을 얻을 수 있는 MEMS의 새로운 활용 분야를 살펴보겠습니다.
새로운 궤도
MEMS 마이크의 장점은 MEMS 스피커에도 적용되지만, 최근까지만 해도 이 스피커 기술은 상용화되지 않았습니다. 스피커 기술은 종종 자석, 코일, 다이어프램으로 구성된 발명 당시와 동일한 기계 시스템에 의존합니다. 이 시스템은 수십 년에 걸쳐 개선되었지만 대부분의 스피커는 다음과 같은 문제에 직면합니다. 유사한 설계 문제특히 헤드폰과 관련된 문제입니다. 자석과 코일 시스템은 위상 정렬의 불일치에 취약할 수 있으며, 이로 인해 각 귀에서 다른 소리가 들릴 수 있습니다. 진동판 자체는 고주파수에서 피스톤과 같은 움직임을 유지할 만큼 충분히 단단하지 않은 경우가 많으며, 자석의 힘에 반응할 때 진동판이 휘어져 일부 소리가 흐려질 수 있습니다.
그림 6. MEMS 드라이버가 탑재된 헤드폰.
MEMS 기술은 이러한 문제에 대한 해결책을 제공합니다. MEMS 스피커는 고체 반도체 구조로 인해 자석을 제거하여 스피커를 더 가볍고 작게 만들며, 생산이 더 균일하여 위상 오정렬이 발생하지 않습니다. 실리콘 다이어프램은 더 단단하고 공기를 펌핑할 때 선형 상태를 유지하므로 소리가 맑고 탁하지 않게 유지됩니다. 또한 MEMS 스피커는 자석 및 코일 스피커보다 작동 속도가 빠르기 때문에 소리를 시작하고 끝내는 속도가 빠르므로 서로 다른 소리를 더 선명하게 구분할 수 있습니다. 최근 일련의 무선 헤드폰 이 출시되어 MEMS 기술을 스피커 시스템에 상용화한 최초의 사례로 기록되었습니다.
MEMS의 미래
마이크와 스피커는 MEMS 기술의 통합으로 빠르게 개선되고 있습니다. 대부분의 마이크는 이미 오디오 신호의 미세한 부분까지 분석할 수 있는 MEMS 기술을 사용하고 있으며, 헤드폰도 최고 품질의 녹음을 재생하는 MEMS 기술을 탑재할 가능성이 높습니다. 이러한 분야의 혁신을 지원하기 위해 시뮬레이션은 실제 프로토타입이 필요하기 전에 작은 설계 내부를 자세히 살펴보고 설계를 정확하게 모델링하고 최적화할 수 있는 방법을 제공합니다.
MEMS는 사운드 제작을 발전시킬 수 있는 많은 길을 열어줍니다. 따라서 다음에 음악을 듣거나 화상 통화를 할 때 마이크로스피커나 마이크 안에 무엇이 들어 있는지 잠시 생각해 보세요.
다음 단계
MEMS 마이크 모델을 사용해보고 싶으신가요? MPH 파일과 단계별 지침은 애플리케이션 갤러리에서 확인할 수 있습니다:
추가 자료
- 다음 자료에서 MEMS 마이크 및 스피커 기술에 대해 자세히 알아보세요:
- 스피커 및 음향 모델링에 대한 자세한 내용은 COMSOL 블로그에서 확인하세요: