Когда вы говорите на виртуальном совещании, вводите голосовые команды в смарт-устройства или разговариваете по телефону, велика вероятность того, что ваш голос улавливает технология MEMS. Это связано с частым использованием данной полупроводниковой технологии при создании небольших динамиков, воспроизводящих высококачественный звук. В этой статье блога мы рассмотрим преимущества, которые МЭМС привносит в микрофоны, проблемы, возникающие при производстве МЭМС-микрофонов, и то, как моделирование и симуляция могут помочь сделать процесс проектирования этих микрофонов более эффективным. Мы также обсудим последние достижения в области современных микродинамиков, созданных на основе технологии МЭМС.
MEMS Now
Использование Технология МЭМС в микрофонах обеспечивает высокое соотношение сигнал/шум (SNR), соотношение между желаемым аудиосигналом и уровнем фонового шума. А благодаря небольшому размеру МЭМС можно добавить несколько микрофонов в устройство, например, в ноутбук или телефон. Способность МЭМС обеспечивать высокий SNR в сочетании с преимуществами, которые дает их компактный размер, позволяет использовать МЭМС-устройства для фильтрации и активного шумоподавления (ANC). Именно это позволяет микрофонам MEMS улавливать четкие голосовые сигналы и отфильтровывать шумы из внешнего мира. Кроме того, кремниевая структура МЭМС-микрофонов делает их легко интегрируемыми в цифровые продукты, устойчивыми к техническим вибрациям и недорогими в массовом производстве.
Рисунок 1. МЭМС-микрофон.
Благодаря всем преимуществам, которые они обеспечивают, технология МЭМС все чаще используется в микрофонах потребительских товаров, таких как устройства «умного дома», мобильные телефоны, планшеты, настольные и портативные компьютеры, а также слуховые аппараты. В последние годы потребность в микрофонах MEMS стала еще более актуальной в связи с ростом числа сценариев работы «из дома».
Моделирование МЭМС-микрофона
Заглянуть внутрь такой маленькой технологии проще всего с помощью программного обеспечения для моделирования, где инженеры могут точно смоделировать устройство и увеличить масштаб различных областей, представляющих интерес. При малых размерах МЭМС-микрофонов, обычно субмиллиметрового масштаба, важны эффекты теплового и вязкого пограничных слоев. Пограничные слои отвечают за фрикционные и тепловые потери в системе, что приводит к затуханию акустического отклика. Важно учитывать вязкие и тепловые эффекты, чтобы получить правильный акустический отклик МЭМС-микрофона.
По мере развития технологий производства появляется возможность изготавливать все более компактные устройства. Однако уменьшение размеров приводит к высоким Числа Кнудсена, что делает неконтинуумные эффекты важными. С помощью моделирования инженеры могут проверить несколько переменных. Например, в нашей модели МЭМС-микрофона можно использовать граничное условие, чтобы учесть влияние высоких чисел Кнудсена в МЭМС-микрофоне.
Микрофон состоит из микроперфорированной пластины (MPP), вибрирующей диафрагмы и закрытого объема подложки. На поверхность мембраны наложено условие проскальзывания, так что тангенциальная скорость на стенке зависит от напряжения жидкости на границе. Это создает разрыв между скоростями твердого тела и жидкости.
Рисунок 2. МЭМС-микрофон, состоящий из МПП и вибрирующей мембраны.
Далее мы кратко рассмотрим некоторые результаты, полученные с помощью этой модели. Не стесняйтесь переходить к пошаговым инструкциям по созданию этой модели, скачав их в нижней части этой статьи..
Изучение результатов
В начале исследования электрическое поле предварительно напрягает мембрану, придавая ей стационарную деформацию, подобно натяжению гитарной струны. Затем давление прикладывается к поверхности над МПП, заставляя мембрану вибрировать и вызывая электрический сигнал в пространстве между двумя частями, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Акустическое давление во всех доменах на частоте 20 кГц.
Исследование акустической скорости, как показано на рисунке 4, показывает, что области вязкого демпфирования проходят через отверстия в МПП и отжимной поток между МПП и мембраной.
Рисунок 4. Акустическая скорость.
Наконец, анализируется частотная характеристика МЭМС-микрофона в диапазоне от 200 Гц до 20 кГц. На низких частотах наблюдается спад, при котором отклик перестает быть плоским из-за связанной электрической цепи, в то время как на высоких частотах отклик спадает. Механические резонансы расположены на более высоких частотах из-за малого масштаба длины модели, поэтому спектр близок к плоскому в звуковом диапазоне.
Рисунок 5. Частотная характеристика.
Микрофоны MEMS широко распространены в повседневных устройствах и постоянно совершенствуются с помощью моделирования и симуляции. Далее мы рассмотрим новую сферу применения МЭМС, которая также может выиграть от использования моделирования в процессе проектирования.
Новая траектория
Преимущества МЭМС-микрофонов применимы и к МЭМС-динамикам, но до недавнего времени технология динамиков не была коммерчески доступной. Технология динамиков часто опирается на ту же механическую систему, что и при ее изобретении, состоящую из магнита, катушки и диафрагмы. Эта система совершенствовалась на протяжении десятилетий, но большинство динамиков сталкиваются с аналогичными проблемами при проектировании, особенно в наушниках. Система магнита и катушки может быть подвержена расхождениям в фазовом согласовании, что может привести к различному звучанию в каждом ухе. Сама мембрана часто недостаточно жесткая, чтобы поддерживать поршневое движение для высоких частот: мембрана может деформироваться, реагируя на толчок магнита, что рискует заглушить некоторые звуки.
Рисунок 6. Наушники с МЭМС-драйверами.
Технология MEMS позволяет решить эти проблемы. Благодаря полупроводниковой конструкции в динамиках MEMS отсутствует магнит, что делает динамик легче и меньше, а воспроизведение звука более равномерным, устраняя фазовый перекос. Кремниевая мембрана более жесткая и сохраняет линейность при нагнетании воздуха, поэтому звук остается чистым и незамутненным. Кроме того, динамики MEMS срабатывают быстрее, чем динамики с магнитом и катушкой, а значит, они быстрее начинают и заканчивают звук и, следовательно, обеспечивают более четкое разделение между различными звуками. Недавно была проведена серия беспроводных наушников с МЭМС-драйверами, что стало первым коммерческим внедрением МЭМС-технологии в акустическую систему.
Будущее МЭМС
Микрофоны и динамики быстро совершенствуются благодаря использованию технологии MEMS. Большинство микрофонов уже используют МЭМС-технологию, способную вычленять все более мелкие нюансы в аудиосигналах, а наушники, вероятно, последуют за ними, оснащенные МЭМС-технологией, воспроизводящей записи самого высокого качества. Чтобы помочь инновациям в этих областях, моделирование дает возможность внимательно рассмотреть небольшие конструкции, а также точно смоделировать и оптимизировать их до создания физического прототипа.
МЭМС открывает множество возможностей для совершенствования производства звука. Поэтому в следующий раз, когда вы будете слушать музыку или разговаривать по видеосвязи, задумайтесь о том, что находится внутри вашего микродинамика или микрофона, ведь это может быть технология MEMS!
Следующий шаг
Хотите попробовать модель MEMS-микрофона? MPH-файл и пошаговые инструкции доступны в Галерее приложений:
Дальнейшее чтение
- Узнайте больше о технологии микрофонов и динамиков MEMS из этих ресурсов:
- Узнайте больше о моделировании динамиков и акустики в блоге COMSOL: