Часть модели МЭМС-микрофона

Компания Coventor уделяет особое внимание точному моделировании шума, особенно для конденсаторных микрофонов. Любой преобразователь снижения шума всегда плюс, и с микрофонами есть два конкретных приложений, которые нуждаются в низком уровне шума. Один из них, где микрофон расположен вдали от источника звука, например, в видео-звонок или при использовании голосовых команд с планшетных компьютеров. Другой заключается в том, что несколько микрофонов расположены в массиве для определения направления входящего звука или для приложений подавления шума.

Источники шума в МЭМС микрофонах

Все микрофоны генерируют шум в электронике, корпусе и самом чувствительном элементе. В конденсаторном МЭМС микрофоне над шумом чувствительного элемента преобладает тепловой шум (также называемый шумом Джонсона-Найквиста), создаваемый сопротивлениями потоку звукового порта, перфорационных отверстий задней пластины и вентиляционных отверстий диафрагмы. Физически источником теплового шума является случайное движение молекул воздуха, связанное с этими сопротивлениями потоку. Молекулы воздуха создают движение диафрагмы, которое преобразуется в электрический сигнал электронной схемой. На практике уровень генерируемого шума тесно связан с чувствительностью микрофона: меньше шума приходит за счет меньшей чувствительности и наоборот. По этой причине соотношение сигнал/шум (SNR) является хорошим показателем производительности. SNR разница в децибелах между уровнем шума и чувствительности при частоте 1 кГц, 94 дБ звуковом давлении (SPL) (1 Па) опорного сигнала.

Проектирование МЭМС-микрофонов

Конденсаторные МЭМС микрофоны являются довольно сложным устройством для моделирования. В большинстве случаев приходится иметь дело с нелинейной связанной физикой и сложной геометрией в сильно перфорированной задней пластине. Традиционный подход заключается в линеаризации системы и использовании эквивалентной модели схемы. Этот подход работает, хотя и требует высокого уровня знаний в области моделирования, часто до уровня доктора наук, для создания и поддержания модели. Но есть предложение. А что, если вместо того, чтобы построить модель эквивалентной схемы, почему бы просто не смоделировать отношение сигнал/шум (SNR) напрямую? Все, что вам нужно - это правильное сочетание элементов и симулятора для выполнения работы. Для тех, кто еще не использует модуль MEMS+^® CoventorMP^®, надеемся, вам будет интересно узнать, что мы уже несколько лет используем эту возможность при интеграции с Cadence Spectre^®. Мы действительно гордимся этой новой передовой возможностью моделирования для разработчиков МЭМС устройств.

Чтобы понять, как работает наше решение, взгляните на диаграмму ниже. Здесь показана модель гибридного конденсаторного микрофона. Мембрана и задняя пластина моделируются с использованием наших мультифизических конечных элементов. Элементы с сосредоточенными параметрами используется для воздушного отверстия, задней камеры и звукового порта. Если вы смотрите только на чувствительный элемент (т.е. без подключенной электроники), вы можете напрямую запустить моделирование в MEMS+ и/или MathWorks MATLAB^®.

Диаграмма, показывающая гибридную модель MEMS+, состоящую из распределенных конечных элементов и сосредоточенных элементов. Все диссипативные элементы действуют как источники теплового шума.

Используя любой из этих инструментов, вы можете предсказать чувствительность и шум любого выходного поля. Для шума это может быть шум смещения или, как правило, емкостной шум. Последний может быть легко преобразован в шум напряжения, а затем интегрирован в звуковой диапазон с помощью A-корректированного фильтра. Затем достаточно просто совместить шум с чувствительностью, чтобы получить значение соотношения сигнал/шум (SNR).

Конечно, вы можете пойти еще дальше и смоделировать электронику с чувствительным элементом микрофона с помощью Cadence Virtuoso^®. Здесь, например, вы можете добавить схему смещения постоянного заряда и запустить анализ чувствительности и шума в Cadence Spectre. Соотношения сигнал/шум (SNR) можно рассчитать с помощью Cadence Virtuoso Calculator^®. Кстати, вы также находитесь всего в нескольких щелчках мыши (и в нескольких минутах) от прогнозирования полного нелинейного искажения (THD).

Схема Cadence Virtuoso с ¼ моделью микрофона, отображающая рассчитанную чувствительность, шум, сигнал/шум (SNR) и коэффициент нелинейных искажений (THD)

Если вы хотите узнать больше, пожалуйста, ознакомьтесь с нашей страницей «Проектирование МЭМС-микрофона» или свяжитесь с нами для демонстрации. Мы также хотим узнать о любых проблемах с моделированием, которые у вас есть - возможно, мы сможем помочь!

Источник: https://www.coventor.com/blog/noise-modeling-for-mems-microphones/

Опубликовано Chris Welham 20 февраля 2020 года

Chris Welham, Ph.D. is the Senior Manager of Applications Engineering at Coventor. Chris has a BEng in Electronic Engineering and a PhD in Engineering, both from Warwick University in the U.K.. His Ph.D. work was focused on resonant pressure sensors. After obtaining his Ph.D., Chris worked for Druck (now GE Druck) developing commercial resonant sensors and interface electronics. He then joined the Application Engineering Group of Coventor in Europe. Chris now manages Worldwide Application Engineering for Coventor’s MEMS software group. Chris is based in Coventor's Paris office.