Рынок МЭМС микрофонов в последние несколько лет стремительно растет. Помимо мобильных устройств, микрофоны все чаще используются в бытовой электронике.

Интеллектуальные устройства теперь используют два или более МЭМС микрофонов для улучшения чувствительности, а также используют активное шумоподавление для улучшения качества звука. Микрофонные системы также используются в других потребительских продуктах (например, Amazon Echo и Google Home) с разнонаправленными функциями для повышения производительности.

Большинство современных МЭМС микрофонов основаны на конденсаторах с воздушным зазором с одной фиксированной опорной пластиной и подвижной мембраной. Более сложные конфигурации могут поддерживать двойные опорные пластины или двойные мембраны. В последнее время также растет интерес к использованию пьезоэлектрического эффекта в качестве механизма преобразования акустических волн в электрический сигнал.

Проблемы проектирования МЭМС микрофонов

От стадии проектирования до оптимизации и повышения производительности, CoventorMP позволяет моделировать широкий спектр ключевых задач, связанных с успешным проектированием МЭМС микрофонов. К ним относятся:

• Емкостной (или PZE-датчик) с одной опорной пластиной, двойной опорной пластиной или двойной мембраной
• Режимные частоты с гидравлической нагрузкой
• Robust pull-in, contact zipping and lift-off
• Чувствительность, до и после контакта
• Переходные перегрузки по давлению
• Демпфирование и связанный с ним анализ термоакустического шума в чувствительном элементе для прогнозирования соотношения сигнал-шум (SNR)
• Моделирование на платформе проектирования ИС с использованием Cadence Virtuoso® или симулятора, совместимого с VerilogA
• Полное гармоническое искажение (THD) с использованием Cadence Virtuoso

В емкостных микрофонах напряжение срабатывания является ключевым параметром, который необходимо оптимизировать в схеме проектирования. Часто высокая степень нелинейности зазора в сочетании с контактом и напряжением затрудняют моделирование поведения активирующего и замыкающего контактов (zipping) с использованием стандартных алгоритмов на основе проверки постоянного тока. Для решения этой проблемы CoventorMP® предлагает надежный алгоритм, который находит как стабильные, так и нестабильные условия, с возможностью моделирования притягивающего и отталкивающего напряжения.

Рисунок 1: Модель МЭМС Микрофона. Для наглядности модель масштабирована по оси Z в 20 раз, а контактные площадки скрыты. На левом графике показана зависимость емкости от напряжения, смоделированная с использованием алгоритма для определения как стабильного, так и нестабильного состояний. Правый график показывает изменение чувствительности на частоте 1 кГц в зависимости от напряжения смещения.

Еще одним ключевым аспектом проектирования микрофонов является соотношение сигнал/шум (SNR). Одним из распространенных подходов к моделированию соотношения сигнал/шум (SNR) является построение электрической эквивалентной схемы из элементов в сетевом (подобном Spice) симуляторе. Такой подход, как правило, требует специальных знаний в области проектирования и значительного времени для создания полной эквивалентной схемы. В качестве альтернативы CoventorMP предлагает возможность моделирования чувствительности и шума непосредственно из модели мультифизических элементов, из которой можно вычислить SNR.

Рисунок 2: Четвертная часть модели микрофона для просмотра колеблющейся демпфирующей мембраны, задней камеры микрофонного капсюля (масштабируется для ясности) и сопротивления отверстия. Чувствительность показана на графике слева, а выходной емкостной шум - на графике справа.

Совместное моделирование схемы

Фактически, те же SNR моделирования могут быть выполнены путем загрузки мульти- физической модели непосредственно в Cadence Virtuoso. Здесь преимущество заключается в том, что влияние паразитных нагрузок, а также любого элемента цепи или схемы смещения на чувствительность, может быть смоделировано непосредственно с помощью Cadence Spectre. Вся нелинейная физика, включая модели демпфирования для анализа шума, включена по умолчанию. Кроме того, так как MEMS+ модели по своей природе являются нелинейными, THD может быть смоделирован так же, как и рабочая характеристика во временной области, например, для моделирования эффектов при включении

Рисунок 2: Модель конденсаторного микрофона в Cadence Virtuoso при постоянном питании.

Паразитная емкость и сопротивление утечке нагружают выход. Для расчета стандартной частотной коррекции А включен A-частотный фильтр. На вставленном изображении показаны результаты моделирования Spectre, обработанные для расчета чувствительности, SNR и THD.

В заключение, CoventorMP позволяет конструктору моделировать ключевые задачи, специфичные для МЭМС микрофонов, от колебаний до вычислений чувствительности и шума, включая совместное моделирование схемы с использованием прямого экспорта модели в Cadence Virtuoso или VerilogA.

Источник: https://www.coventor.com/mems-solutions/microphones/