مدل میکروفون MEMS ارائه شده در ASA 166 در سانفرانسیسکو

من اخیراً خوشحالم که به همراه وید کانکلین و جردن شولتز از شرکت ناولز الکترونیکس، مشارکت کوچکی را برای 166 ^{امین نشست انجمن آکوستیک آمریکا (پاییز 2013) آماده کردم.} وید مقاله ما را با عنوان “ویژگی یک میکروفون میکروالکترومکانیکی با استفاده از روش اجزای محدود” ارائه کرد. این کار شامل پیاده‌سازی یک نمونه مجازی از میکروفون Knowles MEMS (میکروفون SPU0409LE5H، تصویر زیر) با استفاده از COMSOL Multiphysics بود.

میکروفون خازنی Knowles SPU0409LE5FH MEMS با ابعاد 3.76 x 3 x 1.1 mm ³ . عکس از شرکت Knowles Electronics .

میکروفون MEMS چیست؟

میکروفون MEMS یک میکروفون خازنی است که از یک قالب MEMS و یک قالب مکمل اکسید فلزی-نیمه هادی (CMOS) در یک محفظه صوتی ترکیب شده است. CMOS اغلب شامل یک پیش تقویت کننده و همچنین مبدل آنالوگ به دیجیتال (AD) است. به همین دلیل و اندازه کوچک میکروفون، برای ادغام در دستگاه های موبایل دیجیتال، تلفن های هوشمند، هدست ها و سمعک ها مناسب است. محفظه با پورت آکوستیک در تصویر بالا نشان داده شده است. کندانسور یا خازن متغیر از یک دیافراگم بسیار سازگار در مجاورت یک صفحه پشتی سوراخ دار و صلب تشکیل شده است. سوراخ ها به هوای بین دیافراگم و صفحه پشتی اجازه خروج می دهند. جفت دیافراگم و صفحه پشتی به عنوان موتور شناخته می شود (در شکل پایین تر نشان داده شده است). میکروفون به این صورت کار می کند که ابتدا کندانسور را با ولتاژ DC قطبی می کند (شارژ می کند). این ولتاژ همچنین منجر به تغییر شکل و کشش استاتیکی دیافراگم و به میزان بسیار کمتری صفحه پشتی می شود. هنگامی که یک سیگنال صوتی از طریق پورت صوتی به دیافراگم می رسد، دیافراگم به حرکت در می آید. این تغییر شکل مکانیکی به نوبه خود منجر به ولتاژ AC در سراسر میکروفون می شود. این اثرات با هم ترکیب می شوند تا یک مسئله چندفیزیکی واقعی را ارائه دهند که به خوبی برای تجزیه و تحلیل در COMSOL Multiphysics مناسب است. حساسیت میکروفون به صورت نسبت فشار فرودی به ولتاژ اندازه گیری شده در مقیاس دسی بل بیان می شود. دیافراگم به حرکت در می آید. این تغییر شکل مکانیکی به نوبه خود منجر به ولتاژ AC در سراسر میکروفون می شود. این اثرات با هم ترکیب می شوند تا یک مسئله چندفیزیکی واقعی را ارائه دهند که به خوبی برای تجزیه و تحلیل در COMSOL Multiphysics مناسب است. حساسیت میکروفون به صورت نسبت فشار فرودی به ولتاژ اندازه گیری شده در مقیاس دسی بل بیان می شود. دیافراگم به حرکت در می آید. این تغییر شکل مکانیکی به نوبه خود منجر به ولتاژ AC در سراسر میکروفون می شود. این اثرات با هم ترکیب می شوند تا یک مسئله چندفیزیکی واقعی را ارائه دهند که به خوبی برای تجزیه و تحلیل در COMSOL Multiphysics مناسب است. حساسیت میکروفون به صورت نسبت فشار فرودی به ولتاژ اندازه گیری شده در مقیاس دسی بل بیان می شود.

درباره نمونه اولیه میکروفون مجازی Knowles MEMS

مدل میکروفون MEMS شامل توصیفی از خواص الکتریکی، مکانیکی و صوتی مبدل است. توصیف آکوستیک شامل تلفات حرارتی و چسبناک است که به طور صریح معادلات پیوستگی خطی، ناویر-استوکس و انرژی را حل می کند، یعنی ترموآکوستیک . مکانیک دیافراگم نیز شامل نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی و بارهای صوتی یا الکترومکانیک مدل‌سازی شد . یک مدل فرعیهمچنین برای تجزیه و تحلیل تعامل بین دیافراگم ارتعاشی و سوراخ‌های کوچک در صفحه پشتی میکروفون اجرا شد. مدل فاقد پارامترهای برازش آزاد بود و منجر به پیش‌بینی رفتار مکانیکی استاتیک موتور MEMS (سیستم دیافراگم و صفحه پشتی) و همچنین پاسخ فرکانس دینامیکی شد. نتایج مدل تطابق خوبی با داده های اندازه گیری شده نشان داد.

مدل سازی با ماژول های آکوستیک و MEMS

از آنجایی که ابعاد هندسی در این سیستم بسیار کوچک است، ارتعاشات دیافراگم به شدت توسط هوا میرا می شود. هوا و آکوستیک باید از جمله هدایت حرارتی و تلفات ویسکوز درمان شوند. عمق نفوذ چسبناک (ضخامت لایه مرزی چسبناک آکوستیک) برای مثال 55 میکرومتر در 100 هرتز و 5.5 میکرومتر در 10 کیلوهرتز است که بزرگتر یا قابل مقایسه با فاصله بین صفحه پشتی و دیافراگم است که فقط 4 میکرومتر است. . رابط Thermoacoustics ماژول Acoustics اولین انتخاب طبیعی برای مدل سازی این اثرات است . این رابط همچنین منجر به مدل‌سازی صحیح انتقال از رفتار آدیاباتیک به همدما در فرکانس‌های پایین می‌شود. ترکیب پیچیده مکانیک و اثرات الکترواستاتیکی همه در آن گنجانده شده استرابط الکترومکانیک ماژول MEMS . این دو فیزیک به طور کامل در مرز ساختار سیال با نیاز به تداوم در میدان جابجایی / سرعت جفت می شوند.

از آنجایی که یک میکروفون MEMS یک سیستم پیچیده را ایجاد می‌کند، هنگام تلاش برای مدل‌سازی جزئیات آن با چالش‌های متعددی مواجه شدیم. برخی از این موارد عبارتند از:

• در طی فرآیند ساخت اتاق تمیز MEMS، دیافراگم آزاد می شود و کمی خم می شود
  • مهم است که توصیف درستی از شکل اولیه و توزیع تنش آن ارائه شود
• هندسه میکروفون پیچیده است، شامل نسبت‌های ابعادی مختلف و مقیاس‌های طول کوچک است.
  • فکر کردن به مش مهم است
• از آنجایی که این سیستم پیچیده است و فیزیک های مختلفی را در بر می گیرد، مدل به دست آمده به راحتی می تواند برای حل آن بیش از حد بزرگ شود
  • کاهش مدل با استفاده از تقارن ها و تقریب های توده ای نیز باید مورد توجه قرار گیرد

یک میکروفون خازنی کلاسیک، مانند B&K 4134 از گالری مدل ، در اصل مانند میکروفون MEMS عمل می کند و شامل حل همان فیزیک است. با این حال، مدل سازی آن شامل برخی از چالش های خاص همانطور که در بالا ذکر شد، است. آنها در درجه اول به دلیل ساخت پیچیده درگیر هستند و در توصیف حالت استاتیک اولیه و پیچیدگی هندسه قرار دارند.

طرحی از موتور میکروفون MEMS (نه در مقیاس). ضخامت دیافراگم 1 میکرومتر، فاصله بین صفحه پشتی و دیافراگم 4 میکرومتر، قطر سوراخ‌های صفحه پشتی 10 میکرومتر و ضخامت صفحه پشتی 2 میکرومتر است. فاصله موتور از پایه تا پایه پشتیبانی 590 میکرومتر است. طرح توسط شرکت Knowles Electronics .

برخی از نتایج مدل COMSOL

به عنوان اولین گام هنگام برنامه ریزی فرآیند مدل سازی، تصمیم گرفتیم بر اعتبار بخشیدن به توصیف ثابت اولیه مدل تمرکز کنیم. یک اندازه گیری مستقیم شکل ثابت میکروفون با اندازه گیری ظرفیت DC به عنوان تابعی از ولتاژ پلاریزاسیون به دست می آید. اندازه گیری ها با نتایج مدل در شکل زیر مقایسه شده است. همانطور که می بینید، دو منحنی تطابق خوبی را نشان می دهند. در حدود 15.8 ولت، منحنی اندازه گیری شده در حال پرش دیده می شود. این مربوط به نقطه ای است که دیافراگم به دلیل نیروهای الکترواستاتیکی آنقدر خم می شود که صفحه پشتی را لمس می کند.

نتایج شبیه سازی ظرفیت استاتیکی میکروفون به عنوان تابعی از ولتاژ قطبش DC. منحنی سبز نشان‌دهنده اندازه‌گیری‌ها و منحنی آبی ظرفیت مدل‌سازی‌شده را نشان می‌دهد که شامل یک جبران ثابت برای خازن انگلی ثابت موجود هنگام انجام اندازه‌گیری‌ها (۰.۲۳ pF) است. اندازه گیری ها توسط Knowles Electronics انجام شده است .

پتانسیل الکتریکی در برش های برش 30 درجه موتور میکروفون در تصویر زیر نشان داده شده است. مشاهده می شود که این میدان دارای گرادیان های بسیار قوی در ناحیه ای است که الکترودها در آن قرار دارند، در حالی که در خارج از این منطقه فرو می ریزد. سوراخ‌های صفحه پشتی به وضوح روی میدان تأثیر می‌گذارند. رفتار دینامیکی کامل میکروفون نیز برای حل جابجایی ساختاری، میدان الکتریکی و میدان‌های ترموآکوستیک (فشار، سرعت و دما) در حوزه فرکانس تحلیل شد. این یک مدل چندفیزیکی کاملاً جفت شده در یک هندسه پیچیده است و بنابراین برای حل آن به 60 گیگابایت رم نیاز است. حساسیت حاصل نیز مطابقت خوبی با اندازه‌گیری‌ها نشان داد.

پتانسیل الکتریکی ثابت به صورت برش هایی از طریق موتور میکروفون MEMS نشان داده شده است.

یک سلول واحد از سیستم دیافراگم و صفحه پشتی در انیمیشن های زیر نشان داده شده است. این مدل نشان دهنده یک سوراخ و شکاف هوا (فیلم هوای نازک) بین دیافراگم ارتعاشی و صفحه پشتی (در اینجا ثابت است). این سیستم به عنوان یک سلول واحد با استفاده از تقارن تجزیه و تحلیل می شود. رفتار آکوستیک همراه با جزئیات شامل تلفات چسبناک و حرارتی دوباره با استفاده از رابط ترموآکوستیک ثبت می‌شود . این دو انیمیشن رفتار توزیع سرعت آکوستیک لحظه ای و توزیع دما را در 10 کیلوهرتز در یک دوره نشان می دهند. این مدل همچنین فشار را حل می کند (در اینجا نشان داده نشده است). ایجاد و فروپاشی هر دو لایه مرزی حرارتی و چسبناک را می توان در انیمیشن ها مشاهده کرد. در 10 کیلوهرتز، ضخامت هر دو حدود 5 میکرومتر است و با ارتفاع شکاف هوایی 4 میکرومتر قابل مقایسه است.


تجزیه و تحلیل دینامیکی یک “سلول واحد” از سیستم دیافراگم و صفحه پشتی، که در اینجا در 10 کیلوهرتز مدل سازی شده است. در اینجا بزرگی سرعت صوتی لحظه ای (رنگ) و میدان سرعت (بردارها) نشان داده شده است.

تجزیه و تحلیل دینامیکی یک “سلول واحد” از سیستم دیافراگم و صفحه پشتی، که در اینجا در 10 کیلوهرتز مدل سازی شده است. تغییرات دمای آکوستیک در این انیمیشن به تصویر کشیده شده است.

بیشتر خواندن

• MJH Jensen, W. Conklin, and J. Schultz, خصوصیات یک میکروفون میکروالکترومکانیکی با استفاده از روش اجزای محدود , J. Acoust. Soc. آم.، 134 ، ص 4122 (2013) (چکیده کنفرانس)
• مدل میکروفون خازنی B&K 4134 در گالری مدل
• Knowles Electronics
• ماژول آکوستیک
• ماژول MEMS
• پی. لوپرت و اس. لی، سیسونیک – اولین میکروفون تجاری MEMS ، کارگاه حسگرهای حالت جامد، محرک‌ها و میکروسیستم‌ها، هیلتون هد آیلند، کارولینای جنوبی، صفحات 27-30 (2006)