Wanneer u uw stem laat horen in een virtuele vergadering, spraakopdrachten inspreekt in slimme apparaten of telefoneert, is de kans groot dat uw stem wordt opgevangen door MEMS-technologie. Dit komt doordat deze halfgeleidertechnologie in vaste toestand vaak wordt gebruikt om kleine luidsprekers te maken die geluid van hoge kwaliteit produceren. In deze blogpost gaan we in op de voordelen van MEMS voor microfoons, de uitdagingen die gepaard gaan met de productie van MEMS-microfoons en hoe modellering en simulatie kunnen helpen om het ontwerpproces van deze microfoons efficiÔnter te maken. We bespreken ook de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van moderne microfoons die aangedreven worden door MEMS-technologie.
MEMS Nu
gebruiken MEMS-technologie in microfoons voegt een hoge signaal-ruisverhouding (SNR), de verhouding tussen het gewenste audiosignaal en het niveau van achtergrondruis. En door de kleine afmetingen 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 leveren in combinatie met de voordelen van hun compacte formaat, maken het mogelijk om MEMS-apparaten te voorzien van filtering en actieve ruisonderdrukking (ANC). Hierdoor kunnen MEMS-microfoons heldere spraaksignalen oppikken en ruis uit de buitenwereld wegfilteren. Bovendien zorgt de siliciumstructuur van MEMS-microfoons ervoor dat ze gemakkelijk geïntegreerd kunnen worden in digitale producten, bestand zijn tegen technische trillingen en goedkoop in massa geproduceerd kunnen worden.
Figuur 1. Een MEMS-microfoon.
Vanwege alle voordelen die ze bieden, wordt MEMS-technologie steeds vaker gebruikt in microfoons in consumentenproducten, zoals slimme thuisapparaten, mobiele telefoons, tablets, desktop- en laptopcomputers en gehoorapparaten. In de afgelopen jaren is de behoefte aan MEMS-microfoons nog belangrijker geworden, omdat het aantal thuiswerkscenario’s is toegenomen.
Een MEMS-microfoon modelleren
In zo’n kleine technologie kijken wordt gemakkelijker met simulatiesoftware, waar ingenieurs het apparaat nauwkeurig kunnen modelleren en kunnen inzoomen op de verschillende gebieden die van belang zijn. Op de kleine schaal van MEMS-microfoons, meestal de submillimeterschaal, zijn de effecten van de thermische en viskeuze grenslagen belangrijk. De grenslagen zijn verantwoordelijk voor zowel wrijvingsverliezen als thermische verliezen in het systeem, die de akoestische respons dempen. Het is belangrijk om rekening te houden met de viskeuze en thermische effecten om de juiste akoestische respons van een MEMS-microfoon te krijgen.
Naarmate de fabricagetechnieken zich verder ontwikkelen, is het mogelijk om steeds kleinere apparaten te fabriceren. De kleinere afmetingen leiden echter tot hoge Knudsen-getallenwaardoor 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 Knudsenummers in een MEMS-microfoon op te nemen.
De microfoon bestaat uit een microgeperforeerde plaat (MPP), een trillend membraan en een gesloten backingvolume. Er is een slipvoorwaarde toegepast op het oppervlak van het membraan, zodat de tangentiële snelheid aan de wand afhangt van de spanning van de vloeistof aan de grens. Dit creÔert 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 zullen we kort enkele resultaten van het model bespreken. Spring gerust door naar de stap-voor-stap 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 om het een stationaire vervorming te geven, ongeveer zoals het aantrekken van een gitaarsnaar. Vervolgens wordt er druk uitgeoefend op het oppervlak boven het MPP, waardoor het diafragma gaat trillen en een elektrisch signaal veroorzaakt in de ruimte tussen de twee delen, zoals getoond in Figuur 3.
Figuur 3. Akoestische druk in alle domeinen bij 20 kHz.
Onderzoek van de akoestische snelheid, zoals getoond in Figuur 4, laat zien dat de gebieden van viskeuze demping zich bevinden via de gaten in de MPP en de knijpende stroming tussen de MPP en het membraan.
Figuur 4. Akoestische snelheid.
Tot slot wordt de frequentierespons van de MEMS-microfoon van 200 Hz tot 20 kHz geanalyseerd. Lagere frequenties laten een roll-off zien waarbij de respons niet meer vlak is vanwege het gekoppelde elektrische circuit, terwijl de respons afneemt bij de hogere frequenties. Mechanische resonanties bevinden zich bij hogere frequenties vanwege de kleine lengteschaal van het model, en daarom is het spectrum bijna vlak in het audiobereik.
Figuur 5. Frequentierespons.
MEMS-microfoons worden veel gebruikt in alledaagse apparaten en worden voortdurend verbeterd met behulp van modellering en simulatie. Vervolgens zullen we een nieuw toepassingsgebied voor MEMS verkennen dat ook baat zou kunnen hebben bij het gebruik van simulatie in het ontwerpproces.
Een nieuwe weg
De voordelen van MEMS microfoons gelden ook voor MEMS luidsprekers, maar tot voor kort was de luidsprekertechnologie niet commercieel beschikbaar. Luidsprekertechnologie is vaak gebaseerd op hetzelfde mechanische systeem als bij de uitvinding, bestaande uit een magneet, een spoel en een membraan. Dit systeem is in de loop der decennia verbeterd, maar de meeste luidsprekers hebben te maken met soortgelijke ontwerpuitdagingen, vooral met betrekking tot hoofdtelefoons. Het magneet- en spoelsysteem kan gevoelig zijn voor verschillen in fase-uitlijning, wat kan leiden tot verschillend geluid in elk oor. Het diafragma zelf is vaak niet stijf genoeg om een zuigerachtige beweging te houden voor hoge frequenties: het diafragma kan vervormen als het reageert op de magneetdruk, waardoor het risico bestaat dat sommige geluiden vertroebeld worden.
Afbeelding 6. Hoofdtelefoon met MEMS-drivers.
MEMS-technologie biedt oplossingen voor deze problemen. Door de halfgeleiderconstructie in vaste toestand, wordt de magneet in een MEMS-luidspreker weggelaten, waardoor de luidspreker lichter en kleiner wordt, en de productie gelijkmatiger is, waardoor fasefouten worden geëlimineerd. Het siliciummembraan is stijver en blijft lineair bij het pompen van lucht, zodat het geluid helder en onberispelijk blijft. Bovendien hebben MEMS-luidsprekers een snellere activering dan een magneet- en spoelluidspreker, wat betekent dat ze sneller een geluid starten en eindigen en dus een duidelijkere scheiding tussen verschillende geluiden bieden. Onlangs heeft een serie draadloze hoofdtelefoons met MEMS-drivers uitgebracht, wat de eerste commerciële integratie van MEMS-technologie in een luidsprekersysteem markeerde.
De toekomst van MEMS
Microfoons en luidsprekers worden snel beter door de integratie van MEMS-technologie. De meeste microfoons maken al gebruik van MEMS-technologie, die in staat is om steeds kleinere details in audiosignalen te ontrafelen, en hoofdtelefoons zullen waarschijnlijk volgen, met MEMS-technologie die opnames van de hoogste kwaliteit afspeelt. Om te helpen bij innovatie op deze gebieden, biedt simulatie een manier om kleine ontwerpen van dichtbij te bekijken, nauwkeurig te modelleren en te optimaliseren voordat er een fysiek prototype nodig is.
MEMS opent vele deuren naar een verbeterde geluidsproductie. Dus de volgende keer dat u naar muziek luistert of een videogesprek voert, neem dan even de tijd om na te denken over wat er in uw microluidspreker of microfoon zit, want dat kan MEMS-technologie zijn!
Volgende stap
Wilt u het MEMS-microfoonmodel proberen? Het MPH-bestand en stapsgewijze instructies zijn beschikbaar in de Toepassingsgalerij:
Verder lezen
- Hier vindt u meer informatie over MEMS microfoon- en luidsprekertechnologie:
- Meer informatie over luidspreker- en akoestische modellering op de COMSOL Blog: