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.
Sanal bir toplantıda konuştuğunuzda, akıllı cihazlara sesli komutlar verdiğinizde veya telefonda konuştuğunuzda, sesinizi MEMS teknolojisinin alma ihtimali yüksektir. Bunun nedeni, bu katı hal yarı iletken teknolojisinin yüksek kaliteli ses üreten küçük hoparlörler oluşturmada sıkça kullanılmasıdır. Bu blog yazısında, MEMS’in mikrofonlara sağladığı faydaları, MEMS mikrofon üretiminin getirdiği zorlukları ve modelleme ve simülasyonun bu mikrofonların tasarım sürecini daha verimli hale getirmeye nasıl yardımcı olabileceğini araştırıyoruz. Ayrıca MEMS teknolojisiyle çalışan modern mikro hoparlörlerdeki son gelişmeleri de tartışıyoruz.
MEMS Şimdi
Kullanma MEMS teknolojisi mikrofonlarda yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR), istenen ses sinyali ile arka plan gürültü seviyesi arasındaki oran. MEMS’lerin küçük boyutları sayesinde dizüstü bilgisayarlar veya telefonlar gibi bir cihaza birden fazla mikrofon eklemek mümkündür. MEMS’lerin yüksek SNR sağlama yeteneği, kompakt boyutlarının getirdiği avantajlarla birleştiğinde MEMS cihazlarının filtreleme ve aktif gürültü engelleme (ANC) özelliğine sahip olmasını sağlar. MEMS mikrofonların net ses sinyalleri almasını ve dış dünyadan gelen gürültülü ortamı filtrelemesini sağlayan şey budur. Ayrıca MEMS mikrofonların silikon yapısı, dijital ürünlerle kolayca entegre olmalarını, teknik titreşime karşı dayanıklı olmalarını ve ucuz bir şekilde seri üretilmelerini sağlar.
Şekil 1. Bir MEMS mikrofon.
Sağladıkları tüm faydalar nedeniyle MEMS teknolojisi, akıllı ev cihazları, cep telefonları, tabletler, masaüstü ve dizüstü bilgisayarlar ve işitme cihazları gibi tüketici ürünlerindeki mikrofonlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Son yıllarda, evden çalışma senaryoları arttıkça MEMS mikrofonlara duyulan ihtiyaç daha da önemli hale gelmiştir.
MEMS Mikrofon Modelleme
Bu kadar küçük bir teknolojinin içine bakmak, mühendislerin cihazı doğru bir şekilde modelleyebildiği ve farklı ilgi alanlarını yakınlaştırabildiği simülasyon yazılımı ile daha kolay hale geliyor. MEMS mikrofonların küçük ölçeğinde, tipik olarak milimetre altı ölçekte, termal ve viskoz sınır katmanlarının etkileri önemlidir. Sınır katmanları, sistemdeki hem sürtünme hem de termal kayıplardan sorumludur ve bu da akustik tepkiyi sönümleyecektir. Bir MEMS mikrofonun doğru akustik tepkisini elde etmek için viskoz ve termal etkilerin dahil edilmesi önemlidir.
Üretim teknikleri gelişmeye devam ettikçe, daha küçük ve daha küçük cihazlar üretmek mümkün olmaktadır. Bununla birlikte, daha küçük boyutlar yüksek Knudsen sayılarıBu da süreklilik dışı etkileri önemli hale getirir. Simülasyon ile mühendisler birden fazla değişkeni test edebilirler. Örneğin, MEMS mikrofon modelimizle, bir MEMS mikrofonda yüksek Knudsen sayılarının etkilerini dahil etmek için bir sınır koşulu kullanabilirsiniz.
Mikrofon, mikro delikli bir plaka (MPP), titreşimli bir diyafram ve kapalı bir destek hacminden oluşmaktadır. Diyaframın yüzeyine bir kayma koşulu uygulanmıştır, böylece duvardaki teğetsel hız sınırdaki akışkanın gerilimine bağlıdır. Bu, katı ve akışkanın hızı arasında bir süreksizlik yaratır.
Şekil 2. Bir MPP ve titreşen bir zardan oluşan MEMS mikrofon.
Daha sonra, modelden elde edilen bazı sonuçların üzerinden kısaca geçeceğiz. Bu modeli oluşturmak için adım adım talimatları indirerek ilerlemekten çekinmeyin bu blog yazısının altında.
Sonuçları Keşfetmek
Çalışmanın başlangıcında, bir elektrik alanı diyaframa ön gerilim uygulayarak, tıpkı bir gitar telini sıkmak gibi, ona sabit bir deformasyon kazandırır. Daha sonra MPP’nin üzerindeki yüzeye basınç uygulanarak diyaframın titreşmesi sağlanır ve Şekil 3’te gösterildiği gibi iki parça arasındaki boşlukta bir elektrik sinyaline neden olur.
Şekil 3. Tüm alanlarda 20 kHz’de akustik basınç.
Şekil 4’te gösterildiği gibi akustik hızın incelenmesi, viskoz sönümleme alanlarının MPP’deki delikler ve MPP ile diyafram arasındaki sıkışma akışı yoluyla olduğunu ortaya koymaktadır.
Şekil 4. Akustik hız. Akustik hız.
Son olarak, MEMS mikrofonun 200 Hz ila 20 kHz arasındaki frekans tepkisi analiz edilmiştir. Düşük frekanslar, bağlı elektrik devresi nedeniyle yanıtın düz olmaktan çıktığı bir yuvarlanma gösterirken, yanıt daha yüksek frekanslarda düşmektedir. Mekanik rezonanslar, modelin küçük uzunluk ölçeği nedeniyle daha yüksek frekanslarda yer almaktadır ve bu nedenle spektrum ses aralığında düze yakındır.
Şekil 5. Frekans tepkisi.
MEMS mikrofonlar günlük cihazlarda yaygın olarak kullanılmakta ve modelleme ve simülasyon yardımıyla sürekli olarak geliştirilmektedir. Daha sonra, MEMS için tasarım sürecinde simülasyon kullanımından da yararlanabilecek yeni bir kullanım alanını keşfedeceğiz.
Yeni Bir Yörünge
MEMS mikrofonların faydaları MEMS hoparlörler için de geçerlidir, ancak çok yakın zamana kadar hoparlör teknolojisi ticari olarak mevcut değildi. Hoparlör teknolojisi genellikle bir mıknatıs, bir bobin ve bir diyaframdan oluşan, icat edildiği zamanki aynı mekanik sisteme dayanır. Bu sistem on yıllar boyunca geliştirilmiştir, ancak çoğu hoparlör benzer tasarım zorluklarıözellikle de kulaklıklar söz konusu olduğunda. Mıknatıs ve bobin sistemi, faz hizalamasındaki tutarsızlıklara karşı hassas olabilir, bu da her kulakta farklı sese yol açabilir. Diyaframın kendisi genellikle yüksek frekanslar için piston benzeri bir hareket sağlayacak kadar sert değildir: diyafram mıknatıs itişine yanıt verirken bükülebilir ve bu da bazı sesleri bulanıklaştırma riski taşır.
Şekil 6. MEMS sürücülü kulaklıklar. MEMS sürücüler içeren kulaklıklar.
MEMS teknolojisi bu sorunlara çözüm sağlamaktadır. MEMS hoparlör, katı hal yarı iletken yapısı sayesinde mıknatısı ortadan kaldırarak hoparlörü daha hafif ve daha küçük hale getirir ve faz kaymasını ortadan kaldırarak daha homojen bir üretim sağlar. Silikon diyafram daha serttir ve hava pompalarken doğrusal kalır, böylece ses net ve bulanık kalmaz. Ayrıca MEMS hoparlörler mıknatıslı ve bobinli hoparlörlere kıyasla daha hızlı harekete geçirilebilmektedir; bu da sesin başlatılması ve sonlandırılmasında daha hızlı oldukları ve dolayısıyla farklı sesler arasında daha net bir ayrım sağladıkları anlamına gelmektedir. Son zamanlarda, bir dizi kablosuz kulaklıklar MEMS sürücüleri ile piyasaya sürüldü ve MEMS teknolojisinin bir hoparlör sistemine ilk ticari dahil edilişi oldu.
MEMS’in Geleceği
Mikrofonlar ve hoparlörler MEMS teknolojisinin dahil edilmesiyle hızla gelişiyor. Mikrofonların çoğu halihazırda ses sinyallerindeki daha küçük ve daha küçük ayrıntıları ayrıştırabilen MEMS teknolojisini kullanıyor ve muhtemelen en yüksek kalitede kayıtları çalan MEMS teknolojisine sahip kulaklıklar da bunu takip edecek. Bu alanlarda inovasyona yardımcı olmak için simülasyon, küçük tasarımların içine yakından bakmanın yanı sıra fiziksel bir prototipe ihtiyaç duymadan önce tasarımları doğru bir şekilde modelleme ve optimize etme yolu sağlar.
MEMS, ses üretimini ilerletmek için birçok kapı açıyor. Bu nedenle, bir dahaki sefere müzik dinlediğinizde veya görüntülü bir görüşme yaptığınızda, mikro hoparlörünüzün veya mikrofonunuzun içinde ne olduğunu düşünmek için bir saniyenizi ayırın, çünkü bu MEMS teknolojisi olabilir!
Sonraki Adım
MEMS Mikrofon modelini denemek ister misiniz? MPH dosyası ve adım adım talimatlar Uygulama Galerisi’nde mevcuttur:
Daha fazla okuma
- Bu kaynaklardan MEMS mikrofon ve hoparlör teknolojisi hakkında daha fazla bilgi edinin:
- COMSOL Blog’da hoparlör ve akustik modelleme hakkında daha fazla bilgi edinin:
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.