Home Articoli Simulation Uno sguardo più ravvicinato alla tecnologia MEMS con COMSOL Multiphysics®

Uno sguardo più ravvicinato alla tecnologia MEMS con COMSOL Multiphysics®

 

Quando parla in una riunione virtuale, recita comandi vocali in dispositivi intelligenti o parla al telefono, è molto probabile che sia la tecnologia MEMS a captare la sua voce. Ciò è dovuto all’uso frequente di questa tecnologia di semiconduttori a stato solido nella creazione di piccoli altoparlanti che producono un suono di alta qualità. In questo blog post, esploriamo i vantaggi che i MEMS apportano ai microfoni, le sfide che si presentano nella produzione di microfoni MEMS e come la modellazione e la simulazione possono aiutare a rendere più efficiente il processo di progettazione di questi microfoni. Parliamo anche degli ultimi progressi nei moderni micro-altoparlanti guidati dalla tecnologia MEMS.

MEMS Now

Utilizzando Tecnologia MEMS nei microfoni aggiunge un elevato rapporto segnale/rumore (SNR), il rapporto tra il segnale audio desiderato e il livello di rumore di fondo. Inoltre, grazie alle dimensioni ridotte dei MEMS, è possibile aggiungere più microfoni a un dispositivo, come i computer portatili o i telefoni. La capacità dei MEMS di fornire un elevato SNR, combinata con i vantaggi derivanti dalle dimensioni compatte, consente ai dispositivi MEMS di avere un filtraggio e una cancellazione attiva del rumore (ANC). Questo è ciò che permette ai microfoni MEMS di captare segnali vocali chiari e di filtrare l’ambiente rumoroso del mondo esterno. Inoltre, la struttura in silicio dei microfoni MEMS li rende facilmente integrabili con i prodotti digitali, resistenti alle vibrazioni tecniche e prodotti in serie a basso costo.

Un modello che illustra un microfono MEMS.
Figura 1. Un microfono MEMS.

Grazie a tutti i vantaggi che offre, la tecnologia MEMS viene sempre più utilizzata nei microfoni dei prodotti di consumo, come i dispositivi per la casa intelligente, i telefoni cellulari, i tablet, i computer desktop e portatili e gli apparecchi acustici. Negli ultimi anni, la necessità di microfoni MEMS è diventata ancora più importante con l’aumento degli scenari di lavoro da casa.

Modellazione di un microfono MEMS

Guardare all’interno di una tecnologia così piccola è più facile con il software di simulazione, dove gli ingegneri possono modellare accuratamente il dispositivo e ingrandire le diverse aree di interesse. Nella scala ridotta dei microfoni MEMS, tipicamente submillimetrica, gli effetti degli strati limite termici e viscosi sono importanti. Gli strati limite sono responsabili delle perdite termiche e di attrito nel sistema, che smorzano la risposta acustica. È importante includere gli effetti viscosi e termici per ottenere la risposta acustica corretta di un microfono MEMS.

Con il continuo sviluppo delle tecniche di produzione, è possibile fabbricare dispositivi sempre più piccoli. Tuttavia, le dimensioni ridotte comportano un elevato Numeri di Knudsene quindi gli effetti di non continuità sono importanti. Con la simulazione, gli ingegneri possono testare più variabili. Ad esempio, con il nostro modello di un microfono MEMS, è possibile utilizzare una condizione al contorno per includere gli effetti dei numeri di Knudsen elevati in un microfono MEMS.

Il microfono è composto da una piastra microforata (MPP), un diaframma vibrante e un volume di supporto chiuso. Alla superficie del diaframma è stata applicata una condizione di slittamento, in modo che la velocità tangenziale alla parete dipenda dalla sollecitazione del fluido al confine. Questo crea una discontinuità tra la velocità del solido e quella del fluido.

Modellazione di un microfono MEMS costituito da un MPP e da una membrana vibrante.
Figura 2. Microfono MEMS composto da un MPP e da una membrana vibrante.

Successivamente, esamineremo brevemente alcuni risultati del modello. Si senta libero di passare alle istruzioni passo-passo per la costruzione di questo modello scaricandolo in fondo a questo post.

Esplorare i risultati

All’inizio dello studio, un campo elettrico preme il diaframma per dargli una deformazione stazionaria, come se si stringesse una corda di chitarra. La pressione viene poi applicata alla superficie sopra l’MPP, facendo vibrare il diaframma e provocando un segnale elettrico nello spazio tra le due parti, come illustrato nella Figura 3.

Un primo piano della pressione acustica nel modello di microfono MEMS a 20 kHz.
Figura 3. Pressione acustica in tutti i domini a 20 kHz.

Analizzando la velocità acustica, come mostrato nella Figura 4, si nota che le aree di smorzamento viscoso avvengono attraverso i fori nell’MPP e il flusso di compressione tra l’MPP e il diaframma.

Un primo piano della velocità acustica nel modello di microfono MEMS.
Figura 4. Velocità acustica.

Infine, viene analizzata la risposta in frequenza del microfono MEMS da 200 Hz a 20 kHz. Le frequenze più basse mostrano un roll-off in cui la risposta cessa di essere piatta a causa del circuito elettrico accoppiato, mentre la risposta si riduce alle frequenze più alte. Le risonanze meccaniche si trovano alle frequenze più alte, a causa della piccola scala di lunghezza del modello, e quindi lo spettro è quasi piatto nella gamma audio.

Un grafico 1D che mostra la risposta in frequenza.
Figura 5. Risposta in frequenza.

I microfoni MEMS sono comuni nei dispositivi di uso quotidiano e vengono costantemente migliorati con l’aiuto della modellazione e della simulazione. Successivamente, esploreremo una nuova via d’uso per i MEMS che potrebbe beneficiare dell’uso della simulazione nel processo di progettazione.

Una nuova traiettoria

I vantaggi dei microfoni MEMS si applicano anche agli altoparlanti MEMS, ma fino a poco tempo fa, la tecnologia degli altoparlanti non era disponibile in commercio. La tecnologia degli altoparlanti si basa spesso sullo stesso sistema meccanico che aveva al momento della sua invenzione, composto da un magnete, una bobina e un diaframma. Questo sistema è stato migliorato nel corso dei decenni, ma la maggior parte degli altoparlanti si imbatte in sfide progettuali similisoprattutto per quanto riguarda le cuffie. Il sistema di magneti e bobine può essere soggetto a discrepanze nell’allineamento di fase, che può portare a un suono diverso in ciascun orecchio. Il diaframma stesso spesso non è abbastanza rigido da mantenere un movimento a pistone per le alte frequenze: il diaframma può deformarsi quando risponde alla spinta del magnete, con il rischio di confondere alcuni suoni.

Un primo piano di cuffie dotate di driver MEMS, mostrate su una superficie di legno accanto alla loro custodia aperta.
Figura 6. Cuffie con driver MEMS.

La tecnologia MEMS offre soluzioni a questi problemi. Grazie alla costruzione a semiconduttore allo stato solido, un altoparlante MEMS elimina il magnete, rendendo l’altoparlante più leggero e più piccolo, e la produzione è più uniforme, eliminando il disallineamento di fase. Il diaframma in silicio è più rigido e rimane lineare durante il pompaggio dell’aria, in modo che il suono rimanga chiaro e privo di sfumature. Inoltre, gli altoparlanti MEMS hanno un’attuazione più rapida rispetto agli altoparlanti a magnete e bobina, il che significa che sono più veloci nell’iniziare e terminare un suono e quindi offrono una separazione più chiara tra i diversi suoni. Recentemente, una serie di cuffie wireless con driver MEMS, segnando la prima incorporazione commerciale della tecnologia MEMS in un sistema di altoparlanti.

Il futuro dei MEMS

I microfoni e gli altoparlanti stanno migliorando rapidamente grazie all’incorporazione della tecnologia MEMS. La maggior parte dei microfoni utilizza già la tecnologia MEMS, in grado di analizzare minuzie sempre più piccole nei segnali audio, e le cuffie probabilmente seguiranno, con una tecnologia MEMS che riproduce registrazioni di altissima qualità. Per aiutare l’innovazione in queste aree, la simulazione offre un modo per guardare da vicino all’interno di progetti di piccole dimensioni, oltre a modellare e ottimizzare accuratamente i progetti prima che sia necessario un prototipo fisico.

I MEMS aprono molte porte al progresso della produzione sonora. Quindi, la prossima volta che ascolterà la musica o parlerà durante una videochiamata, si prenda un secondo per pensare a cosa c’è all’interno del suo micro altoparlante o microfono, perché potrebbe essere la tecnologia MEMS!

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