Kiedy zabierają Państwo głos na wirtualnym spotkaniu, recytują polecenia głosowe w inteligentnych urządzeniach lub rozmawiają przez telefon, istnieje duża szansa, że to technologia MEMS odbiera Państwa głos. Wynika to z częstego stosowania tej półprzewodnikowej technologii półprzewodnikowej w tworzeniu małych głośników, które wytwarzają dźwięk wysokiej jakości. W tym wpisie na blogu omawiamy korzyści, jakie MEMS wnoszą do mikrofonów, wyzwania związane z produkcją mikrofonów MEMS oraz sposób, w jaki modelowanie i symulacja mogą pomóc w usprawnieniu procesu projektowania tych mikrofonów. Omawiamy również najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nowoczesnych mikrogłośników opartych na technologii MEMS.
MEMS Now
Korzystanie z Technologia MEMS w mikrofonach zapewnia wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR), czyli stosunek pożądanego sygnału audio do poziomu szumów tła. A dzięki niewielkim rozmiarom MEMS możliwe jest dodanie wielu mikrofonów do urządzenia, takiego jak laptop lub telefon. Zdolność MEMS do zapewnienia wysokiego SNR w połączeniu z korzyściami wynikającymi z ich niewielkich rozmiarów umożliwia urządzeniom MEMS filtrowanie i aktywną redukcję szumów (ANC). To właśnie pozwala mikrofonom MEMS odbierać wyraźne sygnały głosowe i odfiltrowywać hałaśliwe otoczenie ze świata zewnętrznego. Ponadto krzemowa struktura mikrofonów MEMS sprawia, że są one łatwe do zintegrowania z produktami cyfrowymi, odporne na wibracje techniczne i niedrogie w masowej produkcji.
Rysunek 1. Mikrofon MEMS.
Ze względu na wszystkie korzyści, jakie zapewniają, technologia MEMS jest coraz częściej stosowana w mikrofonach w produktach konsumenckich, takich jak inteligentne urządzenia domowe, telefony komórkowe, tablety, komputery stacjonarne i laptopy oraz aparaty słuchowe. W ostatnich latach zapotrzebowanie na mikrofony MEMS stało się jeszcze ważniejsze, ponieważ wzrosła liczba scenariuszy pracy z domu.
Modelowanie mikrofonu MEMS
Zaglądanie do wnętrza tak małej technologii jest łatwiejsze dzięki oprogramowaniu symulacyjnemu, w którym inżynierowie mogą dokładnie modelować urządzenie i powiększać różne obszary zainteresowania. W małej skali mikrofonów MEMS, zazwyczaj w skali submilimetrowej, ważne są efekty termicznych i lepkich warstw granicznych. Warstwy graniczne są odpowiedzialne zarówno za straty tarcia, jak i straty termiczne w systemie, które tłumią odpowiedź akustyczną. Ważne jest, aby uwzględnić efekty lepkości i termiczne, aby uzyskać prawidłową odpowiedź akustyczną mikrofonu MEMS.
Wraz z rozwojem technik produkcyjnych możliwe jest wytwarzanie coraz mniejszych urządzeń. Jednak mniejsze rozmiary prowadzą do wysokich Liczby Knudsena, co sprawia, że efekty nieciągłości są ważne. Dzięki symulacji inżynierowie mogą testować wiele zmiennych. Na przykład w naszym modelu mikrofonu MEMS można użyć warunku brzegowego, aby uwzględnić wpływ wysokich liczb Knudsena w mikrofonie MEMS.
Mikrofon składa się z mikroperforowanej płytki (MPP), wibrującej membrany i zamkniętej objętości podkładu. Na powierzchni membrany zastosowano warunek poślizgu, tak aby prędkość styczna przy ścianie zależała od naprężenia płynu na granicy. Tworzy to nieciągłość między prędkością ciała stałego i płynu.
Rysunek 2. Mikrofon MEMS składający się z MPP i wibrującej membrany.
Następnie pokrótce omówimy niektóre wyniki z modelu. Proszę przejść do instrukcji krok po kroku dotyczących budowy tego modelu, pobierając je ze strony na dole tego wpisu na blogu.
Przeglądanie wyników
Na początku badania pole elektryczne napręża membranę, aby nadać jej stacjonarne odkształcenie, podobnie jak napinanie struny gitary. Ciśnienie jest następnie przykładane do powierzchni powyżej MPP, wprawiając membranę w drgania i wywołując sygnał elektryczny w przestrzeni między dwiema częściami, jak pokazano na rysunku 3.
Rysunek 3. Ciśnienie akustyczne we wszystkich domenach przy 20 kHz.
Badanie prędkości akustycznej, jak pokazano na rysunku 4, ujawnia, że obszary tłumienia lepkiego znajdują się w otworach w MPP i ściskającym przepływie między MPP a membraną.
Rysunek 4. Prędkość akustyczna.
Na koniec analizowana jest odpowiedź częstotliwościowa mikrofonu MEMS od 200 Hz do 20 kHz. Niższe częstotliwości wykazują spadek, w którym odpowiedź przestaje być płaska z powodu sprzężonego obwodu elektrycznego, podczas gdy odpowiedź spada przy wyższych częstotliwościach. Rezonanse mechaniczne znajdują się przy wyższych częstotliwościach ze względu na małą skalę długości modelu, a zatem widmo jest prawie płaskie w zakresie audio.
Rysunek 5. Odpowiedź częstotliwościowa.
Mikrofony MEMS są powszechne w urządzeniach codziennego użytku i są stale ulepszane za pomocą modelowania i symulacji. Następnie zbadamy nowe możliwości wykorzystania MEMS, które również mogą skorzystać z symulacji w procesie projektowania.
Nowa trajektoria
Zalety mikrofonów MEMS mają również zastosowanie do głośników MEMS, ale do niedawna technologia głośników nie była dostępna na rynku. Technologia głośników często opiera się na tym samym systemie mechanicznym, co w momencie jego wynalezienia, składającym się z magnesu, cewki i membrany. System ten został ulepszony na przestrzeni dziesięcioleci, ale większość głośników napotyka podobne wyzwania projektowe, zwłaszcza w przypadku słuchawek. System magnesu i cewki może być podatny na rozbieżności w wyrównaniu fazowym, co może prowadzić do różnego dźwięku w każdym uchu. Sama membrana często nie jest wystarczająco sztywna, aby utrzymać ruch przypominający tłok dla wysokich częstotliwości: membrana może się wypaczyć, reagując na nacisk magnesu, co grozi zamuleniem niektórych dźwięków.
Rysunek 6. Słuchawki wyposażone w przetworniki MEMS.
Technologia MEMS zapewnia rozwiązanie tych problemów. Ze względu na półprzewodnikową konstrukcję, głośnik MEMS eliminuje magnes, dzięki czemu głośnik jest lżejszy i mniejszy, a produkcja jest bardziej jednolita, eliminując niewspółosiowość fazową. Membrana krzemowa jest sztywniejsza i zachowuje liniowość podczas pompowania powietrza, dzięki czemu dźwięk pozostaje czysty i niezakłócony. Ponadto głośniki MEMS mają szybszą aktywację niż głośniki z magnesem i cewką, co oznacza, że szybciej inicjują i kończą dźwięk, a tym samym zapewniają wyraźniejszą separację między różnymi dźwiękami. Niedawno pojawiła się seria słuchawek bezprzewodowych z przetwornikami MEMS, co stanowi pierwsze komercyjne zastosowanie technologii MEMS w systemie głośników.
Przyszłość MEMS
Mikrofony i głośniki szybko stają się coraz lepsze dzięki zastosowaniu technologii MEMS. Większość mikrofonów wykorzystuje już technologię MEMS, zdolną do analizowania coraz mniejszych szczegółów w sygnałach audio, a słuchawki prawdopodobnie pójdą w ich ślady, wyposażone w technologię MEMS, która odtwarza nagrania najwyższej jakości. Aby pomóc w innowacjach w tych obszarach, symulacja zapewnia sposób na dokładne przyjrzenie się małym projektom, a także dokładne modelowanie i optymalizację projektów przed potrzebą fizycznego prototypu.
MEMS otwiera wiele drzwi do postępu w produkcji dźwięku. Tak więc, następnym razem, gdy będą Państwo słuchać muzyki lub prowadzić rozmowę wideo, proszę poświęcić chwilę na zastanowienie się, co znajduje się wewnątrz Państwa mikrogłośnika lub mikrofonu, ponieważ może to być technologia MEMS!
Następny krok
Chcą Państwo wypróbować model mikrofonu MEMS? Plik MPH i instrukcje krok po kroku są dostępne w Galerii aplikacji:
Więcej informacji
- Więcej informacji na temat technologii mikrofonów i głośników MEMS znajdą Państwo w poniższych materiałach:
- Więcej informacji na temat modelowania głośników i akustyki można znaleźć na blogu COMSOL: