Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Wanneer u iets zegt in een virtuele vergadering, spraakopdrachten op slimme apparaten opzegt of via de telefoon praat, is de kans groot dat het MEMS-technologie is die uw stem oppikt. Dit komt door het veelvuldig gebruik van deze solid-state halfgeleidertechnologie bij het creëren van kleine luidsprekers die geluid van hoge kwaliteit produceren. In deze blogpost onderzoeken we de voordelen die MEMS bieden voor microfoons, de uitdagingen die gepaard gaan met het produceren van MEMS-microfoons, en hoe modellering en simulatie kunnen helpen het ontwerpproces van deze microfoons efficiënter te maken. We bespreken ook de nieuwste ontwikkelingen in moderne microluidsprekers, aangedreven door MEMS-technologie.
MEMS nu
Gebruiken MEMS-technologie in microfoons voegt een hoge signaal-ruisverhouding toe (SNR), de verhouding tussen het gewenste audiosignaal en het niveau van achtergrondgeluid. En door het kleine formaat van MEMS is het mogelijk om meerdere microfoons toe te voegen aan een apparaat, zoals laptops of telefoons. Het vermogen van MEMS om een hoge SNR te bieden, gecombineerd met de voordelen van hun compacte formaat, zorgt ervoor dat MEMS-apparaten kunnen beschikken over filtering en actieve ruisonderdrukking (ANC). Dit is wat MEMS-microfoons in staat stelt heldere stemsignalen op te vangen en luidruchtige omgevingen uit de buitenwereld te filteren. Bovendien zorgt de siliciumstructuur van MEMS-microfoons ervoor dat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd met digitale producten, bestand zijn tegen technische trillingen en goedkoop in massa kunnen worden geproduceerd.
Figuur 1. Een MEMS-microfoon.
Vanwege alle voordelen die ze bieden, wordt MEMS-technologie steeds vaker gebruikt in microfoons in consumentenproducten, zoals slimme apparaten voor thuisgebruik, mobiele telefoons, tablets, desktop- en laptopcomputers en gehoorapparaten. De afgelopen jaren is de behoefte aan MEMS-microfoons nog belangrijker geworden naarmate de scenario's voor thuiswerken zijn toegenomen.
Een MEMS-microfoon modelleren
Zo klein in technologie kijken wordt gemakkelijker gemaakt met simulatiesoftware, waarmee ingenieurs het apparaat nauwkeurig kunnen modelleren en kunnen inzoomen op de verschillende interessegebieden. Op de kleine schaal van de MEMS-microfoons, doorgaans op submillimeterschaal, zijn de effecten van de thermische en stroperige grenslagen belangrijk. De grenslagen zijn verantwoordelijk voor zowel wrijvings- als thermische verliezen in het systeem, waardoor de akoestische respons wordt gedempt. Het is belangrijk om de stroperige en thermische effecten mee te nemen om de juiste akoestische respons van een MEMS-microfoon te verkrijgen.
Naarmate productietechnieken zich blijven ontwikkelen, is het mogelijk om steeds kleinere apparaten te vervaardigen. De kleinere maten leiden echter tot hoge maten Knudsen-nummerswaardoor niet-continuümeffecten belangrijk zijn. Met simulatie kunnen ingenieurs meerdere variabelen testen. Met ons model van een MEMS-microfoon kunt u bijvoorbeeld een randvoorwaarde gebruiken om de effecten van hoge Knudsen-getallen in een MEMS-microfoon op te nemen.
De microfoon bestaat uit een microgeperforeerde plaat (MPP), een trillend diafragma en een gesloten achtergrondvolume. Er is een slipconditie toegepast op het oppervlak van het diafragma, zodat de tangentiële snelheid aan de wand afhangt van de spanning van de vloeistof op de grens. Hierdoor ontstaat er een discontinuïteit tussen de snelheid van de vaste stof en de vloeistof.
Figuur 2. MEMS-microfoon bestaande uit een MPP en een vibrerend membraan.
Vervolgens bespreken we kort enkele resultaten uit het model. Ga gerust verder met de stapsgewijze instructies voor het bouwen van dit model door het te downloaden onderaan deze blogpost.
De resultaten verkennen
Aan het begin van het onderzoek wordt het diafragma door een elektrisch veld voorgespannen, waardoor het een stationaire vervorming krijgt, vergelijkbaar met het aanspannen van een gitaarsnaar. Vervolgens wordt er druk uitgeoefend op het oppervlak boven het MPP, waardoor het diafragma gaat trillen en een elektrisch signaal ontstaat in de ruimte tussen de twee delen, zoals weergegeven in figuur 3.
Figuur 3. Akoestische druk in alle domeinen bij 20 kHz.
Onderzoek naar de akoestische snelheid, zoals weergegeven in figuur 4, onthult dat de gebieden met viskeuze demping plaatsvinden via de gaten in het MPP en de knijpende stroom tussen het MPP en het diafragma.
Figuur 4. Akoestische snelheid.
Tenslotte wordt de frequentierespons van de MEMS-microfoon van 200 Hz tot 20 kHz geanalyseerd. Lagere frequenties vertonen een roll-off waarbij de respons niet langer vlak is vanwege het gekoppelde elektrische circuit, terwijl de respons afneemt bij de hogere frequenties. Mechanische resonanties bevinden zich op hogere frequenties vanwege de kleine lengteschaal van het model, en daarom is het spectrum in het audiobereik bijna vlak.
Figuur 5. Frequentierespons.
MEMS-microfoons zijn gebruikelijk in alledaagse apparaten en worden voortdurend verbeterd met behulp van modellering en simulatie. Vervolgens zullen we een nieuwe gebruiksmogelijkheid voor MEMS verkennen die ook zou kunnen profiteren van het gebruik van simulatie in het ontwerpproces.
Een nieuw traject
De voordelen van MEMS-microfoons gelden ook voor MEMS-luidsprekers, maar tot voor kort was de luidsprekertechnologie niet commercieel verkrijgbaar. Luidsprekertechnologie is vaak gebaseerd op hetzelfde mechanische systeem als bij de uitvinding, bestaande uit een magneet, een spoel en een diafragma. Dit systeem is de afgelopen decennia verbeterd, maar de meeste sprekers komen dit tegen vergelijkbare ontwerpuitdagingenvooral wat koptelefoons betreft. Het magneet- en spoelsysteem kunnen gevoelig zijn voor discrepanties in de fase-uitlijning, wat kan leiden tot verschillend geluid in elk oor. Het diafragma zelf is vaak niet stijf genoeg om bij hoge frequenties een zuigerachtige beweging te behouden: het diafragma kan kromtrekken als reactie op de druk van de magneet, waardoor het risico bestaat dat sommige geluiden vertroebelen.
Figuur 6. Koptelefoon met MEMS-stuurprogramma's.
MEMS-technologie biedt oplossingen voor deze problemen. Vanwege de solid-state halfgeleiderconstructie verwijdert een MEMS-luidspreker de magneet, waardoor de luidspreker lichter en kleiner wordt, en de productie uniformer is, waardoor fase-uitlijning wordt geëlimineerd. Het siliciumdiafragma is stijver en blijft lineair bij het pompen van lucht, zodat het geluid helder en onvertroebeld blijft. Bovendien hebben MEMS-luidsprekers een snellere aansturing dan een magneet- en spoelluidspreker, waardoor ze sneller een geluid initiëren en beëindigen en daardoor een duidelijkere scheiding tussen verschillende geluiden bieden. Onlangs is er een serie van draadloze hoofdtelefoon met MEMS-drivers werd uitgebracht, wat de eerste commerciële integratie van MEMS-technologie in een luidsprekersysteem markeerde.
De toekomst van MEMS
Microfoons en luidsprekers worden snel verbeterd dankzij de integratie van MEMS-technologie. De meerderheid van de microfoons maakt al gebruik van MEMS-technologie, die steeds kleinere details in audiosignalen kan ontleden, en hoofdtelefoons zullen waarschijnlijk volgen, met MEMS-technologie die opnames van de hoogste kwaliteit afspeelt. Om te helpen met innovatie op deze gebieden, biedt simulatie een manier om goed in kleine ontwerpen te kijken, en de ontwerpen nauwkeurig te modelleren en te optimaliseren voordat een fysiek prototype nodig is.
MEMS opent vele deuren voor het bevorderen van geluidsproductie. Dus, de volgende keer dat u naar muziek luistert of via een videogesprek praat, neem dan even de tijd om na te denken over wat er in uw microluidspreker of microfoon zit, want het kan MEMS-technologie zijn!
Volgende stap
Wilt u het MEMS-microfoonmodel proberen? Het MPH-bestand en de stapsgewijze instructies zijn beschikbaar in de Applicatiegalerij:
Verder lezen
- Lees meer over MEMS-microfoon- en luidsprekertechnologie uit deze bronnen:
- Lees meer over luidspreker- en akoestische modellering op de COMSOL Blog:
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.