电容式MEMS麦克风有限元仿真建模
关于麦克风(学名传声器,英文Microphone),之前的文章有做过简要的分类和介绍。使用MEMS(微机械加工)工艺做的微型麦克风,就是MEMS麦克风,用得最多的是电容式,或者叫静电式,利用静电力(机电力)转换振动和电信号。一般使用硅作为基底,也称为硅基麦克风。相比于传统的驻极体麦克风,产品一致性好、功耗低、耐冲击。电容式MEMS麦克风尺寸非常小,mm量级,在手机、平板、耳机、助听器等产品中均有广泛应用。
近些年也有些公司在开发压电式MEMS麦克风,利用压电效应转换振动和电信号。
麦克风的灵敏度表示麦克风的声电转换效率。定义为声压1Pa的声场中,麦克风的开路输出电压。利用声压驱动振膜变形,再将振膜振动转换为电信号。所以其灵敏度S等于输出的电压ΔV与声压P的比值
对电容式麦克风来说,其声电换能机理是:声压驱动膜片振动,造成膜片和背板之间的空气间隙d发生变化,从而其电容值C变化,最终输出电压ΔV。ASIC再读取平板电容的电压并进行处理。
噪声也是麦克风一个重要的性能指标,灵敏度-固有噪声即为麦克风信噪比。麦克风噪声主要来源于热噪声,或者说是机械热噪声。MEMS麦克风振膜材料常用um级别厚度的单晶硅、多晶硅、氮化硅等。 几款MEMS麦克风内部图像,底部是PCB板,顶部是金属外壳,内部由MEMS芯片(背板、振膜)、ASIC、印刷电路板、空腔等组件构成。 关于电容式麦克风的仿真,通常会采用集总参数拟合等效电路的方式,将电、结构、声都类比为电路进行计算,可以很快地计算其灵敏度和频率响应。 但由于MEMS电容式麦克风有很多细小尺寸的结构,需要考虑空气热粘性造成复杂的阻尼、腔体等效容积变化等影响,等效电路近似计算谐振峰的频率、谐振峰的高度会不太准确,且灵敏度的计算也会存在一定偏差。准确仿真还是需要采用有限元的方式进行计算。 仿真设置方法可以参考Comsol软件自带的案例库-声学模块-电声换能器下的这两个模型: “Brüel & Kjær 4134 电容麦克风” 电容式MEMS麦克风出于不同应用和工艺的考量,会有不同的封装方式。入声孔有些开在外壳上,有些开在PCB板上。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1668790983889_go8ha1.jpg?imageView2/0)
当然对有限元仿真来说,这几种封装方式没有本质区别,只是几何模型的差异。选取一种设计做仿真。电容式MEMS麦克风的仿真涉及静电、结构、声、热耦合,还是比较复杂的。
仿真得到麦克风的频响曲线,1kHz灵敏度-54dBV/Pa
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空气谐振频率22kHz,刚好对应频响曲线的高频峰。这个谐振峰是由于入声孔和前腔谐振造成,通过入声孔尺寸和前腔容积的设计,可以调整麦克风的高频段响应。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1668790969966_o0prqe.jpg?imageView2/0)
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首次发布时间:2022-11-21
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