Wenn Sie in einem virtuellen Meeting das Wort ergreifen, Sprachbefehle in ein Smartphone eingeben oder am Telefon sprechen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Ihre Stimme von MEMS-Technologie erfasst wird. Das liegt daran, dass diese Festkörper-Halbleitertechnologie häufig für die Herstellung kleiner Lautsprecher mit hochwertigem Klang verwendet wird. In diesem Blog-Beitrag entdecken wir den Nutzen von MEMS für Mikrofone, die Herausforderungen bei der Herstellung von MEMS-Mikrofonen und die Bedeutung von Modellierung und Simulation für einen effizienteren Designprozess dieser Mikrofone. Außerdem gehen wir auf die neuesten Fortschritte bei modernen, mit MEMS-Technologie betriebenen Mikrolautsprechern ein.
MEMS heute
Die Verwendung von MEMS-Technologie in Mikrofonen sorgt für ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), also das Verhältnis zwischen dem gewünschten Audiosignal und dem Pegel des Hintergrundrauschens. Aufgrund der geringen Größe von MEMS ist es zudem möglich, mehrere Mikrofone in ein Gerät wie einen Laptop oder ein Telefon einzubauen. Die Fähigkeit von MEMS, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu liefern, kombiniert mit den Vorteilen, die sich aus ihrer kompakten Größe ergeben, ermöglicht MEMS-Geräten Filterung und Active Noise Cancellation (ANC). Dadurch können MEMS-Mikrofone klare Sprachsignale aufnehmen und laute Umgebungsgeräusche der Außenwelt herausfiltern. Darüber hinaus lassen sich MEMS-Mikrofone aufgrund ihrer Siliziumstruktur leicht in digitale Produkte integrieren, sind unempfindlich gegenüber technischen Vibrationen und können kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden.
Abbildung 1. Ein MEMS-Mikrofon.
Aufgrund ihrer vielen Vorteile wird die MEMS-Technologie zunehmend für Mikrofone in Verbraucherprodukten wie Smart-Home-Geräten, Mobiltelefonen, Tablets, Desktop- und Laptop-Computern sowie Hörgeräten eingesetzt. Mit dem Anstieg der Arbeit im Home Office in den letzten Jahren ist der Bedarf an MEMS-Mikrofonen noch größer geworden.
Modellierung eines MEMS-Mikrofons
Der Blick in das Innere einer so kleinen Technologie wird durch Simulationssoftware erleichtert, mit der Ingenieure das Gerät genau modellieren und die verschiedenen interessanten Bereiche heranzoomen können. In dem kleinen Maßstab der MEMS-Mikrofone, typischerweise im Submillimeterbereich, sind die Auswirkungen der thermischen und viskosen Grenzschichten von Bedeutung. Die Grenzschichten sind sowohl für Reibungs- als auch für Wärmeverluste im System verantwortlich, wodurch die akustische Antwort gedämpft wird. Es ist wichtig, die viskosen und thermischen Effekte zu berücksichtigen, um die korrekte akustische Antwort eines MEMS-Mikrofons zu erhalten.
Mit der Weiterentwicklung der Fertigungstechniken können auch zunehmend kleinere Geräte hergestellt werden. Allerdings führen die kleineren Größen zu hohen Knudsen-Zahlen, wodurch nicht-kontinuierliche Effekte wichtig werden. Mit der Simulation können Ingenieure mehrere Variablen testen. Mit unserem Modell eines MEMS-Mikrofons können Sie eine Randbedingung verwenden, um die Auswirkungen hoher Knudsen-Zahlen in einem MEMS-Mikrofon zu berücksichtigen.
Das Mikrofon besteht aus einer mikroperforierten Platte (MPP), einer schwingenden Membran und einer geschlossenen Rückkammer. Auf die Oberfläche der Membran wurde eine Gleitbedingung angewendet, so dass die tangentiale Geschwindigkeit an der Wand von der Spannung des Fluids am Rand abhängt. Dadurch entsteht eine Diskontinuität zwischen der Geschwindigkeit des Festkörpers und der des Fluids.
Abbildung 2. MEMS-Mikrofon, bestehend aus einer MPP und einer schwingenden Membran.
Als Nächstes gehen wir kurz auf einige der Ergebnisse des Modells ein. Sie können auch direkt zur Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Erstellung dieses Modells gelangen, indem Sie es am Ende dieses Blog-Beitrags herunterladen.
Untersuchung der Ergebnisse
Zu Beginn der Studie wird die Membran durch ein elektrisches Feld vorgespannt, so dass sie eine feststehende Verformung erfährt, ähnlich wie beim Spannen einer Gitarrensaite. Dann wird Druck auf die Oberfläche oberhalb der MPP ausgeübt, wodurch die Membran in Schwingung versetzt wird und ein elektrisches Signal im Raum zwischen den beiden Teilen entsteht, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3. Akustischer Druck in allen Gebieten bei 20 kHz.
Die Untersuchung der Schallgeschwindigkeit, wie in Abbildung 4 dargestellt, zeigt, dass die Bereiche der viskosen Dämpfung über die Löcher in der MPP und die Quetschströmung zwischen der MPP und der Membran entstehen.
Abbildung 4. Schallgeschwindigkeit.
Abschließend wird der Frequenzgang des MEMS-Mikrofons von 200 Hz bis 20 kHz analysiert. Im unteren Frequenzbereich zeigt sich ein Roll-Off, bei dem der Frequenzgang aufgrund des gekoppelten elektrischen Schaltkreises nicht mehr flach ist, während der Frequenzgang bei den höheren Frequenzen abfällt. Mechanische Resonanzen befinden sich aufgrund der kleinen Längenskala des Modells bei höheren Frequenzen, so dass das Spektrum im Audiobereich nahezu flach ist.
Abbildung 5. Frequenzgang.
MEMS-Mikrofone sind in alltäglichen Geräten weit verbreitet und werden mit Hilfe von Modellierung und Simulation ständig verbessert. Als Nächstes werden wir einen neuen Anwendungsbereich für MEMS erkunden, der ebenfalls vom Einsatz der Simulation im Designprozess profitieren könnte.
Ein neuer Weg
Die Vorteile von MEMS-Mikrofonen gelten auch für MEMS-Lautsprecher, aber bis vor kurzem war die Lautsprechertechnologie noch nicht kommerziell verfügbar. Die Lautsprechertechnologie beruht häufig auf demselben mechanischen System wie zum Zeitpunkt ihrer Erfindung, nämlich aus einem Magneten, einer Spule und einer Membran. Dieses System wurde im Laufe der Jahrzehnte verbessert, aber die meisten Lautsprecher, insbesondere bei Kopfhörern, stoßen auf ähnliche Herausforderungen beim Design. Das Magnet- und Spulensystem kann für Diskrepanzen in der Phasenausrichtung anfällig sein, was zu einem unterschiedlichen Klang in jedem Ohr führen kann. Die Membran selbst ist oft nicht steif genug, um eine kolbenartige Bewegung für hohe Frequenzen aufrechtzuerhalten: Sie kann sich als Reaktion auf den Druck des Magneten verformen, was zur Folge haben kann, dass einige Klänge verwaschen werden.
Abbildung 6. Kopfhörer mit MEMS-Treibern.
Die MEMS-Technologie bietet Lösungen für diese Probleme. Aufgrund seiner Festkörper-Halbleiterkonstruktion kann ein MEMS-Lautsprecher auf den Magneten verzichten, was ihn leichter und kleiner macht, und die Produktion ist gleichmäßiger, wodurch Phasenversatz vermieden wird. Die Siliziummembran ist steifer und bleibt beim Pumpen von Luft linear, so dass der Klang klar und unverfälscht bleibt. Außerdem haben MEMS-Lautsprecher eine schnellere Auslösung als Magnet- und Spulenlautsprecher, was bedeutet, dass sie einen Ton schneller einleiten und beenden und daher eine klarere Trennung zwischen verschiedenen Tönen bieten. Kürzlich wurde eine Reihe von kabellosen Kopfhörern mit MEMS-Treibern veröffentlicht, was die erste kommerzielle Verwendung von MEMS-Technologie in einem Lautsprechersystem darstellt.
Die Zukunft von MEMS
Mikrofone und Lautsprecher werden durch den Einsatz der MEMS-Technologie immer besser. Die meisten Mikrofone verwenden sie bereits und sind in der Lage, immer kleinere Details in Audiosignalen herauszufiltern, und Kopfhörer werden wahrscheinlich bald ebenfalls mit MEMS-Technologie ausgestattet sein, die Aufnahmen in höchster Qualität wiedergibt. Um die Innovation in diesen Bereichen zu unterstützen, bietet die Simulation eine Möglichkeit, einen genauen Blick auf das Innere kleiner Designs zu werfen und die Designs genau zu modellieren und zu optimieren, bevor ein physischer Prototyp benötigt wird.
MEMS eröffnen viele Möglichkeiten, die Klangerzeugung zu verbessern. Wenn Sie also das nächste Mal Musik hören oder ein Videogespräch führen, nehmen Sie sich eine Sekunde Zeit, um darüber nachzudenken, was in Ihrem Mikrofon oder Mikrolautsprecher steckt, denn es könnte MEMS-Technologie sein!
Nächster Schritt
Möchten Sie das MEMS-Mikrofonmodell ausprobieren? Die MPH-Datei und eine schrittweise Anleitung finden Sie in der Application Gallery:
Weitere Lektüre
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- Erfahren Sie mehr über die Lautsprecher- und Akustikmodellierung im COMSOL Blog:
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