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。
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
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。
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首次发布时间：2022-11-21
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