Что такое микрофон МЭМС?

Микрофоны МЭМС (микроэлектромеханические системы) представляют собой микроустройства, которые обеспечивают высокую точность акустической чувствительности и достаточно малы для включения в плотно интегрированный электронный продукт. Неудивительно, что их можно найти в смартфонах и других потребительских продуктах, таких как блютуз колонки и гарнитуры. В настоящее время микрофоны МЭМС используются не только для записи простого окружающего звука, но и поддерживают стерео возможности, активное шумоподавление, направленность (сквозь формирование луча), распознавание голоса и другие возможности. Эти звуковые функции реализуются путем увеличения количества микрофонов на устройстве. Например, новейшие смартфоны включают в себя до 6 микрофонов на основе МЭМС. Широкий спектр использования микрофонов МЭМС создал значительный спрос на эти высокопроизводительные устройства.

Что такое емкостный микрофон МЭМС и как он работает?

Все микрофоны (обычные и на основе МЭМС) воспринимают акустические волны с помощью гибкой мембраны. Мембрана движется под давлением, вызванным акустическими волнами. Сегодня большинство MEMS-микрофонов на рынке используют емкостную технологию* для улавливания звука. Емкостные микрофоны МЭМС работают путем измерения емкости между гибкой микромасштабной мембраной и неподвижной опорной пластиной. Изменения давления воздуха, создаваемые звуковыми волнами, заставляют мембрану двигаться. Опорная пластина перфорирована, чтобы воздух проходил через нее, и спроектирована так, чтобы оставаться жесткой, так как воздух может проходить через отверстия. По мере перемещения мембраны емкость между подвижной мембраной и неподвижной опорной пластиной изменяется (поскольку расстояние между ними изменяется), и это изменение в электрической цепи может быть проанализировано и записано.

* Обратите внимание, что в некоторых микрофонах MEMS  используется  пьезоэлектрическая технология, в которой тонкий пьезоэлектрический слой и его  электроды непосредственно прикреплены к верхней части мембраны. Когда  пьезоэлектрический слой перемещается под давлением звуковых волн, возникает  электрический сигнал из-за пьезоэлектрического эффекта. Эту конфигурацию также  можно изучить с помощью CoventorMP.

Рисунок 1: Варианты конструкции емкостных микрофонов на основе МЭМС

Существует несколько разновидностей емкостных микрофонов на основе MEMS, например:

• Микрофоны с одной опорной пластиной, как описаные выше;
• Микрофоны с двойной опорной пластиной, выполненные из одной опорной пластины с каждой стороны мембраны;
• Двухмембранные микрофоны с опорной панелью, заключенной между двумя мембранами, с возможностью создания вакуума между мембранами.

Проектирование микрофонов на основе МЭМС

Разработчик микрофона МЭМС захочет оптимизировать ключевые показатели производительности, такие как частотная характеристика, чувствительность, отношение сигнал / шум (SNR), полное гармоническое искажение и эквивалентный шум на входе. Отношение сигнал / шум является ключевым показателем производительности, и различные варианты емкостных микрофонов МЭМС нацелены на увеличение отношения сигнал / шум за счет увеличения сигнала (с использованием двойной опорной пластиной и двойной мембраной) или снижением шума (с использованием герметичного вакуума между двумя мембранами).

Емкостные микрофоны МЭМС и их рабочие характеристики могут быть спроектированы, смоделированы и изучены с использованием MEMS+, модуля платформы проектирования МЭМС - CoventorMP. MEMS+ поддерживает проектирование микрофонов МЭМС, предоставляя параметрические, нелинейные и мультифизические модели отдельных структур МЭМС, которые могут быть собраны в готовую конструкцию МЭМС микрофона. Более того, интеграция микрофона MEMS+ в схему Cadence Virtuoso дает уникальную возможность моделирования МЭМС микрофона и его специализированной интегральной схемы с использованием специфичных условий смещения интегральной схемы.

Рисунок 2: Пример модели МЭМС Микрофона с двойной опорной пластиной в MEMS+

Будущее проектирования МЭМС Микрофона

Сегодня, в эпоху искусственного интеллекта, мы видим новые стратегии проектирования MEMS, в которых используются инновационные методы автоматической оптимизации. Например, группа из Института автоматизации проектирования электроники Мюнхенского технического университета изучила и продемонстрировала автоматическую оптимизацию конструкции МЭМС Микрофона в MEMS+, включая схему считывания.

Литература:

1.  Florin Burcea, Andreas Herrmann, Aditya Gupta, Helmut Graeb, “A New Robustness Optimization Methodology for MEMS-IC Systems”, International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), June 2017

Источник: https://www.coventor.com/blog/explanation-new-mems-microphone-technology-design/

Опубликовано Arnaud Parent 14 сентября 2020 года.

Arnaud Parent, Ph.D. is a Senior Applications Engineer at Coventor, where he is responsible for technical evaluations, technical customer support and training for Coventor's MEMS design tools. He previously worked at CEA and ONERA in prototype development of PZT and MEMS devices. Arnauld received his Ph.D. from Paris-Sud University (Paris XI).