Quando o senhor fala em uma reunião virtual, recita comandos de voz em dispositivos inteligentes ou fala ao telefone, há uma boa chance de que seja a tecnologia MEMS que capte sua voz. Isso se deve ao uso frequente dessa tecnologia de semicondutores de estado sólido na criação de pequenos alto-falantes que produzem som de alta qualidade. Nesta postagem do blog, exploramos os benefícios que os MEMS trazem para os microfones, os desafios que surgem com a produção de microfones MEMS e como a modelagem e a simulação podem ajudar a tornar o processo de design desses microfones mais eficiente. Também discutimos os últimos avanços dos modernos microfones impulsionados pela tecnologia MEMS.
MEMS Now
Usando Tecnologia MEMS em microfones acrescenta uma alta relação sinal-ruído (SNR), a relação entre o sinal de áudio desejado e o nível de ruído de fundo. E devido ao pequeno tamanho dos MEMS, é possível adicionar vários microfones a um dispositivo, como laptops ou telefones. A capacidade dos MEMS de fornecer alta SNR, combinada com os benefícios de seu tamanho compacto, permite que os dispositivos MEMS tenham filtragem e cancelamento ativo de ruído (ANC). Isso é o que permite que os microfones MEMS captem sinais de voz claros e filtrem o ambiente ruidoso do mundo externo. Além disso, a estrutura de silício dos microfones MEMS faz com que eles sejam facilmente integrados a produtos digitais, resistentes a vibrações técnicas e produzidos em massa de forma econômica.
Figura 1. Um microfone MEMS.
Devido a todos os benefícios que oferece, a tecnologia MEMS está sendo cada vez mais usada em microfones de produtos de consumo, como dispositivos domésticos inteligentes, telefones celulares, tablets, computadores de mesa e laptops e aparelhos auditivos. Nos últimos anos, a necessidade de microfones MEMS tornou-se ainda mais importante com o aumento dos cenários de trabalho em casa.
Modelagem de um microfone MEMS
A análise de tecnologias tão pequenas é facilitada pelo software de simulação, no qual os engenheiros podem modelar o dispositivo com precisão e ampliar as diferentes áreas de interesse. Na pequena escala dos microfones MEMS, normalmente a escala submilimétrica, os efeitos das camadas limite térmica e viscosa são importantes. As camadas limite são responsáveis pelas perdas térmicas e por atrito no sistema, o que amortece a resposta acústica. É importante incluir os efeitos viscosos e térmicos para obter a resposta acústica correta de um microfone MEMS.
À medida que as técnicas de fabricação continuam a se desenvolver, é possível fabricar dispositivos cada vez menores. No entanto, os tamanhos menores levam a altos Números de Knudsentornando importantes os efeitos não contínuos. Com a simulação, os engenheiros podem testar diversas variáveis. Por exemplo, com nosso modelo de um microfone MEMS, o senhor pode usar uma condição de limite para incluir os efeitos de altos números de Knudsen em um microfone MEMS.
O microfone consiste em uma placa microperfurada (MPP), um diafragma vibratório e um volume de apoio fechado. Uma condição de deslizamento foi aplicada à superfície do diafragma para que a velocidade tangencial na parede dependa da tensão do fluido no limite. Isso cria uma descontinuidade entre a velocidade do sólido e a do fluido.
Figura 2. Microfone MEMS composto por um MPP e uma membrana vibratória.
A seguir, analisaremos brevemente alguns dos resultados do modelo. Sinta-se à vontade para pular para as instruções passo a passo da construção desse modelo fazendo o download no final desta postagem do blog.
Explorando os resultados
No início do estudo, um campo elétrico pré-esforça o diafragma para dar a ele uma deformação estacionária, como se estivesse apertando uma corda de violão. Em seguida, a pressão é aplicada à superfície acima do MPP, fazendo com que o diafragma vibre e cause um sinal elétrico no espaço entre as duas partes, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3. Pressão acústica em todos os domínios a 20 kHz.
A investigação da velocidade acústica, conforme mostrado na Figura 4, revela que as áreas de amortecimento viscoso ocorrem por meio dos orifícios no MPP e do fluxo de compressão entre o MPP e o diafragma.
Figura 4. Velocidade acústica.
Por fim, a resposta de frequência do microfone MEMS de 200 Hz a 20 kHz é analisada. As frequências mais baixas mostram um roll-off no qual a resposta deixa de ser plana devido ao circuito elétrico acoplado, enquanto a resposta cai nas frequências mais altas. As ressonâncias mecânicas estão localizadas em frequências mais altas devido à pequena escala de comprimento do modelo e, portanto, o espectro é quase plano na faixa de áudio.
Figura 5. Resposta de frequência.
Os microfones MEMS são comuns em dispositivos cotidianos e estão sendo constantemente aprimorados com a ajuda de modelagem e simulação. A seguir, exploraremos uma nova avenida de uso para MEMS que também pode se beneficiar do uso da simulação no processo de design.
Uma nova trajetória
Os benefícios dos microfones MEMS também se aplicam aos alto-falantes MEMS, mas até muito recentemente, a tecnologia de alto-falantes não estava disponível comercialmente. A tecnologia de alto-falantes geralmente se baseia no mesmo sistema mecânico da época de sua invenção, que consiste em um ímã, uma bobina e um diafragma. Esse sistema foi aprimorado ao longo das décadas, mas a maioria dos alto-falantes encontra desafios de projeto semelhantes, especialmente no que se refere a fones de ouvido. O sistema de ímã e bobina pode ser suscetível a discrepâncias no alinhamento de fase, o que pode levar a sons diferentes em cada ouvido. O próprio diafragma muitas vezes não é rígido o suficiente para manter um movimento semelhante ao de um pistão para altas frequências: o diafragma pode se deformar ao responder ao impulso do ímã, o que corre o risco de turvar alguns sons.
Figura 6. Fones de ouvido com drivers MEMS.
A tecnologia MEMS oferece soluções para esses problemas. Devido à sua construção de semicondutor de estado sólido, um alto-falante MEMS remove o ímã, tornando-o mais leve e menor, e a produção é mais uniforme, eliminando o desalinhamento de fase. O diafragma de silício é mais rígido e permanece linear ao bombear o ar, de modo que o som permanece nítido e sem manchas. Além disso, os alto-falantes MEMS têm uma atuação mais rápida do que um alto-falante com ímã e bobina, o que significa que eles são mais rápidos para iniciar e terminar um som e, portanto, proporcionam uma separação mais clara entre sons diferentes. Recentemente, uma série de fones de ouvido sem fio com drivers MEMS foi lançado, marcando a primeira incorporação comercial da tecnologia MEMS em um sistema de alto-falantes.
O futuro da MEMS
Os microfones e alto-falantes estão melhorando rapidamente com a incorporação da tecnologia MEMS. A maioria dos microfones já usa a tecnologia MEMS, capaz de analisar minúcias cada vez menores nos sinais de áudio, e os fones de ouvido provavelmente virão em seguida, com a tecnologia MEMS que reproduz gravações da mais alta qualidade. Para ajudar na inovação nessas áreas, a simulação oferece uma maneira de examinar de perto pequenos projetos, além de modelar e otimizar com precisão os projetos antes de precisar de um protótipo físico.
O MEMS abre muitas portas para o avanço da produção sonora. Portanto, da próxima vez que o senhor ouvir música ou conversar em uma chamada de vídeo, pare um segundo para pensar no que está dentro do seu microfone ou microfone, pois pode ser a tecnologia MEMS!
Próxima etapa
O senhor quer experimentar o modelo de microfone MEMS? O arquivo MPH e as instruções passo a passo estão disponíveis na Application Gallery:
Leitura adicional
- Saiba mais sobre a tecnologia de microfones e alto-falantes MEMS com estes recursos:
- Saiba mais sobre modelagem acústica e de alto-falantes no blog da COMSOL: