如何优化 MEMS 器件设计提高其性能

MEMS 技术的现状

在麦克风中使用 MEMS 技术可以提高信噪比（SNR），即所需音频信号与背景噪声之间的比值。由于 MEMS 体积小，因此能在笔记本电脑或手机等设备上添加多个麦克风。MEMS 具有高信噪比以及体积小等优势，这使得 MEMS 设备具有滤波和主动降噪（ANC）功能，因此 MEMS 麦克风能够拾取清晰的语音信号，并过滤来自外界的嘈杂环境噪声。此外，MEMS 麦克风的硅结构使其更容易集成到数字产品中，并能降低机械振动影响，同时批量生产成本降低。

图1 一个 MEMS 麦克风模型。

由于具有上述优点，MEMS 技术越来越多地被应用到智能家居设备、手机、平板电脑、台式机和笔记本电脑，以及助听器等消费类产品的麦克风中。近年来，随着居家办公场景的增多，人们对 MEMS 麦克风的需求也在增加。

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MEMS 麦克风仿真

借助仿真软件，工程师可以准确地模拟这些器件，通过放大不同的研究区域，深入探究这种微小尺度技术。对于小尺度（通常是亚毫米级）MEMS 麦克风而言，热边界层和黏性边界层的影响非常重要。边界层对系统中的摩擦损耗和热损耗都有影响，会抑制声学响应。要获得 MEMS 麦克风的正确声学响应，必须将黏性和热效应考虑在内。

随着制造技术的不断进步，开发出越来越小的设备成为可能。然而，较小的尺寸会导致较高的克努森数，使非连续效应变得非常重要。通过仿真，工程师可以测试多个不同的变量。例如，在 MEMS 麦克风案例模型中，可以使用边界条件来考虑 MEMS 麦克风中高克努森数的影响。

该案例中的麦克风模型由一个微型穿孔板 (MPP)、一个振膜和一个封闭背腔组成。对振膜表面使用一个滑移条件，这样壁面的切向速度将取决于边界的流体应力，从而在固体和流体的速度之间产生不连续性。

图2 由微型穿孔板和振膜组成的 MEMS 麦克风。

接下来，我们简要介绍该案例模型的一些模拟结果。您可以在底部“阅读原文”查看该模型的详细说明。

结果探讨

在研究的一开始，电场对振膜施加预应力使其产生静态变形，就像拉紧吉他弦一样。然后向微型穿孔板表面施加压力，使振膜振动，并在二者之间的空间产生电信号，如图3所示。

图3 20kHz 下所有域内的声压。

如图4所示，声速研究表明，微型穿孔板上的孔、微型穿孔板和振膜之间的挤压流动产生了黏滞阻尼区域。

图4 声速模拟结果。 

最后，该模型分析了 MEMS 麦克风在 200Hz ~20kHz 的频率响应。由于耦合电路的原因，在较低的频率下，响应出现骤降，响应曲线不再平坦，同时在较高的频率下，响应也出现下降。由于模型的长度尺度较小，机械共振位于较高频率处，因此频谱在音频范围内接近平坦。

图5 频率响应。

MEMS 麦克风通常被用于日常电子设备中，并且在仿真技术的帮助下，其性能正在不断提升。接下来，我们将探讨 MEMS 技术的一种新应用，其设计过程也能受益于仿真技术。

新的轨迹

MEMS 麦克风的优点同样适用于 MEMS 扬声器，但直到现在这种扬声器技术还没有商业化。扬声器技术常采用由磁体、线圈和振膜组成的机械系统。几十年来，这一系统不断得到改进，但大多数扬声器都会遇到相似的设计难题，尤其是耳机设计。磁体和线圈系统很容易出现相位不一致的情况，导致每只耳朵听到的声音不同。由于振膜本身通常不够坚硬，无法在高频时保持活塞式运动，因此可能会导致振膜在响应磁体推动时可能会发生翘曲，使一些声音变得浑浊不清。

图6 使用了 MEMS 驱动器的耳机。

幸运的是， MEMS 技术为这些问题提供了解决方案。由于采用了固态半导体结构，MEMS 扬声器移除了磁体，因此质量更轻、体积更小并且音量更均匀，从而消除了相位偏差。硅振膜更加坚硬，在抽气时系统可保持线性，因此声音能保持清晰、无杂音。此外，与磁体和线圈扬声器相比，MEMS 扬声器的驱动速度更快，这意味着它们能更快地启动和关闭声音，从而能更清晰地分离不同的声音。随着无线耳机的广泛使用标志着 MEMS 技术已逐步应用到扬声器系统中。

MEMS 的未来

随着 MEMS 技术的应用，麦克风和扬声器的性能正在迅速提升。大多数麦克风已经使用了 MEMS 技术，因此能够解析出音频信号中的细微差别，之后耳机也很可能会采用 MEMS 技术，以播放更高质量的录音。仿真技术提供了一种深入研究微型设计的方法，以及在制作物理原型之前对设计进行准确模拟和优化，来帮助这些领域创新。

MEMS 为推动音频制造行业进步开辟了许多新的通道。当你再次听音乐或者进行视频通话时，可以花点时间想一想你的微型扬声器或麦克风里装的是什么，它可能与 MEMS 技术息息相关！

内容来源：COMSOL

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