Выбор формы и материала прокладки в MEMS-микрофонах

14 мая

системы безопасностипотребительская электроникаинтернет вещейST Microelectronicsстатьяпассивные ЭК и электромеханикаBLESTM32МЭМСМикрофон

В статье приведены примеры моделирования в разработанной компанией STMicroelectronics среде COMSOL, демонстрирующие основные рекомендации по проектированию и выбору материала прокладки для MEMS-микрофонов.

Использование MEMS-микрофонов в потребительском сегменте 

Благодаря компактным размерам, MEMS-микрофоны завоевали высокую популярность на рынке таких портативных устройств как ноутбуки, смартфоны, планшеты и так далее. Подобные устройства с каждым годом становятся тоньше, а диаметр входного отверстия для микрофона, который, в свою очередь, не должен иметь прямого контакта с окружающей средой – меньше. Сами устройства обычно заключены в специальный корпус, изготовленный из алюминия или пластика, а доступ к микрофону осуществляется через специальное отверстие и прокладку, которая проводит звуковую волну от входа в корпусе устройства ко входному порту самого микрофона. В тех случаях, когда используется микрофон со входным портом, расположенным снизу корпуса (например, MP34DB01), между микрофоном и источником звука оказывается еще одно препятствие в виде печатной платы, чья толщина также увеличивает путь, который необходимо преодолеть звуковой волне. На рисунке 1 показан пример расположения MEMS-микрофона в планшете.

Рис. 1. Пример расположения MEMS-микрофона в планшете

Рис. 1. Пример расположения MEMS-микрофона в планшете

Акустическая полость, создаваемая корпусом устройства, прокладкой и печатной платой (если используется микрофон с портом, расположенным снизу), оказывает влияние на частотную характеристику микрофона. Формулы, описывающие поведение звуковой волны внутри акустической полости, являются достаточно сложными и зависят от геометрии отверстий в корпусе устройства, прокладке и печатной плате. Кроме того, существует зависимость частотной характеристики от материала компонентов, описанных выше. Из-за большого числа составляющих и сложности процесса расчета компания STMicroelectronics рекомендует использовать специализированную среду COMSOL для моделирования частотной характеристики MEMS-микрофонов. В данной статье приведены примеры моделирования в среде COMSOL, демонстрирующие основные рекомендации по проектированию и выбору материала прокладки для MEMS-микрофонов.

Немного теории

При наличии микрофона в устройстве прокладка, находящаяся между его входным портом и портом в корпусе конечного устройства, играет роль акустического резонатора. Принцип действия данного резонатора можно объяснить следующим образом: когда воздух нагнетается в полость, образованную прокладкой, давление в ней возрастает. Когда внешняя сила, нагнетающая воздух в полость, исчезает, повышенное давление заставляет воздух вытекать обратно. Через некоторое время давление внутри и снаружи полости сравняется, но воздух все равно продолжит выходить, так как он обладает некоторой массой и импульсом, а значит – и кинетической энергией. Через некоторое время воздух перестанет выходить из полости, и при этом давление внутри полости будет меньше давления снаружи, из-за чего воздух снова устремится внутрь. Данный цикл будет повторяться множество раз с затухающей амплитудой, и чем большую протяженность имеет форма прокладки, тем большую полость она образует и, соответственно, тем большую массу имеет находящийся в ней воздух. Диаметр полости также играет немаловажную роль, так как слишком малый диаметр будет «перекрывать» поток воздуха, тогда как слишком большой будет провоцировать снижение импульса воздуха в полости.

Описанное выше явление резонанса в полости носит название «Резонанс Гельмгольца». Наиболее простым примером такого резонанса является гудение пустой бутылки при направлении потока воздуха перпендикулярно ее горлышку. Резонанс Гельмгольца получил свое название благодаря изобретенному около 1850 года Германом фон Гельмгольцем медному сосуду сферической формы с открытой горловиной для анализа акустических сигналов и определения частот, присутствующих в музыке и других сложносоставных звуках. Таким образом, если объем воздуха, заключенного в пространстве порта MEMS-микрофона, больше объема, заключенного в полости прокладки, резонатор будет в точности соответствовать резонатору Гельмгольца. Однако чаще всего это условие не соблюдается. Формулы, описывающие поведение звуковой волны внутри акустической полости, являются достаточно сложными и имеют ряд параметров, зависящих от формы каждого элемента, образующего полость. Как следствие, использование такого инструмента моделирования как COMSOL является практически неотъемлемой частью процесса проектирования прокладки.

COMSOL поддерживает пять стандартных сценариев, которые наиболее часто возникают на практике при анализе акустических сигналов:

  • Излучение сигнала: источник сигнала (например, динамик) излучает звук в окружающее пространство. Для моделирования необходимо задать граничные условия.
  • Рассеивание сигнала: звуковая волна сталкивается с телом и происходит эффект рассеивания. Для моделирования необходимо задать граничные условия.
  • Звуковое поле в ограниченном пространстве (например, в комнате): акустические волны не выходят за пределы пространства, нет необходимости описания источника излучения.
  • Взаимодействие двух сред, например, жидкости и упругой среды (Structural Acoustics, структурная акустика): если излучающая или рассеивающая структура состоит из упругого материала, то необходимо учитывать взаимодействие между телом и окружающей жидкостью. В мультифизической связи акустический анализ обеспечивает звуковое давление для структурного анализа, а структурный анализ обеспечивает ускорение для акустического анализа.
  • Передача сигнала: звуковая волна может передаваться в структуры с различными акустическими свойствами. Давление и ускорение на границе структуры остаются неизменными.

В случае с MEMS-микрофоном в портативном устройстве наиболее подходящим сценарием является сценарий звукового поля в ограниченном пространстве.

Среда COMSOL также позволяет установить граничные условия для поверхностей, включенных в моделирование.

Виды граничных условий:

  • Акустическая жесткая граница (Sound-Hard Boundary): нормальная составляющая ускорения равна нулю, нормальная производная давления равна нулю.
  • Акустическая мягкая граница (Sound-Soft Boundary): перепад давления на границе стремится к нулю.
  • Граничные условия импедансного типа (Impedance Boundary Conditions): граничные условия импедансного типа являются обобщением двух описанных выше условий. С физической точки зрения акустический входной импеданс – это соотношение между давлением и нормальной скоростью. Граничное условие импедансного типа является хорошим вариантом для поверхностей, состояние которых может меняться во времени, то есть тех, для которых нормальная скорость в любой точке зависит только от давления в этой точке.
  • Граничные условия излучения (Radiation Boundary Conditions): излучаемая волна может покинуть область моделирования с минимальной степенью отражения. Данные условия не используются при моделировании частотных характеристик микрофонов.

Рекомендации по проектированию прокладок

Компания STMicroelectronics имеет богатый опыт в моделировании и производстве как самих MEMS-микрофонов, так и устройств, применяющих таковые. В данном разделе приведены основные рекомендации по проектированию прокладок, основанные на результатах моделирования в среде COMSOL.

Результаты моделирования в этой среде позволяют определить степень влияния формы и материала прокладки на частотную характеристику микрофона. В качестве микрофона был выбран MP34DT01 производства STMicroelectronics, чей порт расположен в верхней части корпуса.

При работе на низких частотах наибольшее влияние на частотную характеристику оказывает форма задней части акустической полости, расположенная ближе к мембране микрофона, в то же время на высоких частотах основным влияющим фактором оказывается форма входного порта и передней части акустической полости (рисунок 2). Добавление прокладки изменяет геометрию передней части акустической полости. Дальнейшие примеры моделирования призваны определить степень влияния формы и материала прокладки, которые могут меняться в зависимости от дизайна устройства, на частотную характеристику микрофона в диапазоне 100 Гц…50 кГц.

Рис. 2. Внутренняя структура микрофона MP34DT01

Рис. 2. Внутренняя структура микрофона MP34DT01

Первый пример моделирования является отправной точкой исследования и представляет собой снятие частотной характеристики MP34DT01 без добавления прокладки при воздействии на входной порт звукового давления величиной 1 Па. В качестве граничного выбрано условие импедансного типа с материалом поверхности – кремний. В процессе моделирования COMSOL проводит расчет для каждой дискретной точки исследуемой области. Рекомендуемой точкой оценки для частотного отклика является один из четырех углов мембраны MEMS (рисунок 3).

Рис. 3. Области MP34DT01, задействованные в моделировании

Рис. 3. Области MP34DT01, задействованные в моделировании

По частотной характеристике, полученной в результате моделирования (рисунок 4), можно отметить, что величина отклика микрофона остается неизменной практически во всем спектре исследуемых частот за исключением небольшого увеличения после 20 кГц. Несмотря на данное увеличение, можно смело заявить, что частотная характеристика не зависит от акустической полости MEMS.

Рис. 4. Частотная характеристика MP34DT01 без добавления прокладки

Рис. 4. Частотная характеристика MP34DT01 без добавления прокладки

Следующий эксперимент представляет собой моделирование, использующее в качестве прокладки цилиндрические трубки с фиксированным радиусом (200 мкм) и разной длиной, а также трубки фиксированной длины (2 мм), но разных радиусов (рисунок 5). По результатам моделирования можно будет определить степень влияния прокладки на частотную характеристику в зависимости от ее длины и радиуса. В качестве граничных условий выбрана акустическая жесткая граница (Sound-Hard Boundary). Моделирование не учитывает материал прокладки и показывает влияние на частотную характеристику только ее формы (таблица 1).

Рис. 5. Частотные характеристики MP34DT01 с прокладками в виде цилиндрических трубок различной длины

Рис. 5. Частотные характеристики MP34DT01 с прокладками в виде цилиндрических трубок различной длины

Таблица 1. Резонансный пик в зависимости от длины трубки прокладки

Длина трубки, мм Резонансная частота, Гц
0,5 39900
1 29600
2 20600
3 16200
4 13400

На рисунке 6 представлены частотные характеристики микрофона при использовании в качестве прокладок цилиндрических трубок равной длины, но различных радиусов.

Рис. 6. Частотные характеристики MP34DT01 с прокладками в виде цилиндрических трубок различных радиусов

Рис. 6. Частотные характеристики MP34DT01 с прокладками в виде цилиндрических трубок различных радиусов

Таблица 2. Резонансный пик в зависимости от радиуса трубки прокладки

Радиус трубки, мкм Резонансная частота, Гц
200 20600
300 26900
400 31000
500 33700

Результаты моделирования, представленные в таблице 2, показывают, что добавление прокладки провоцирует появление резонансного отклика на частотной характеристике микрофона. В то же время изменение длины прокладки или ее радиуса оказывает влияние на частоту отклика следующим образом:

  • резонансная частота перемещается ниже в частотной области при увеличении длины прокладки и выше при ее уменьшении;
  • резонансная частота перемещается ниже в частотной области при уменьшении радиуса прокладки и выше при его увеличении.

Следовательно, если разработчик хочет минимизировать возникновение резонансных откликов в исследуемом частотном диапазоне, ему необходимо сдвинуть резонансную частоту за его пределы, то есть сделать так, чтобы прокладка имела минимально возможную длину и максимально большой радиус.

Следующие этапы моделирования направлены на исследование резонансного отклика при использовании прокладок сложной формы, представленных на рисунке 7.

Рис. 7. Примеры прокладок сложной формы

Рис. 7. Примеры прокладок сложной формы

На рисунке 8 представлены частотные характеристики микрофона при использовании прокладок, изображенных на рисунке 7.

Рис. 8. Частотные характеристики MP34DT01 при использовании прокладок сложной формы

Рис. 8. Частотные характеристики MP34DT01 при использовании прокладок сложной формы

Прокладка, изображенная на рисунке 7а имеет форму цилиндрической трубки и является отправной точкой в данном исследовании. Прокладки 7б, в, г, д претерпели изменения в виде увеличения части радиуса цилиндра трубки. В частности, в прокладке 7б радиус половины трубки, расположенной ближе ко входу микрофона, увеличен в два раза; прокладка 7 в изменена аналогичным образом, но радиус увеличился до 1 мм; прокладка 7г имеет форму трубки с увеличенным в два раза радиусом в средней ее части; 7д имеет увеличенный в два раза радиус на протяжении большей части трубки (1 мм), расположенной в конце, противоположном от входа микрофона. Главным отличием форм прокладок на рисунках 7е и ж является их изгиб на 90˚. Целью использования прокладок 7е и ж является проверка зависимости резонансного отклика от наклона трубки прокладки.

Использование прокладок сходной трубчатой формы, отличающихся расширением или сужением некоторых их частей, позволяет выявить в процессе моделирования зависимость частотной характеристики микрофона от радиуса и длины прокладки. Отправной точкой для анализа результатов является прокладка трубчатой формы, изображенная на рисунке 7a длиной 4 мм и радиусом 300 мкм.

Исходя из результатов моделирования, изображенных на рисунке 8, можно сделать следующие выводы:

  • использование прокладки трубчатой формы с увеличенным в два раза радиусом у входа микрофона (рисунок 7б) сдвигает резонансный пик на более низкие частоты (график синего цвета на рисунке 8);
  • дальнейшее увеличение радиуса прокладки у входа микрофона (рисунок 7в) еще больше снижает частоту резонанса, что подтверждает утверждение из предыдущего пункта (график фиолетового цвета на рисунке 8);
  • резонансный пик перемещается на более высокие частоты при увеличении радиуса части прокладки, расположенной дальше от микрофонного входа (рисунки 7г, д, графики зеленого и красного цветов на рисунке 8);
  • резонансный пик зависит только от геометрии, длины и радиуса прокладки и не зависит от ее изгиба или наклона. Прокладка на рисунке 7е имеет ту же форму, что и на рисунке 7а, но повернута на 90˚, результаты моделирования для обеих прокладок практически совпадают (графики желтого и коричневого цветов на рисунке 8);
  • моделирование для прокладки формы 7ж подтверждает утверждение из предыдущего пункта. Форма прокладки 7ж аналогична форме, показанной на рисунке 7б, но повернута на 90˚, результаты моделирования для обеих прокладок практически совпадают (графики синего и голубого цветов на рисунке 8).

Приведенные выше результаты моделирования могут быть полезны в тех случаях, когда микрофон необходимо расположить далеко от входного отверстия в корпусе устройства или перпендикулярно ему. В таблице 3 приведены более точные значения резонансной частоты в зависимости от формы прокладки.

Таблица 3. Значения резонансной частоты, в зависимости от формы прокладки микрофона

Параметры геометрии прокладки Резонансная частота, Гц
а: L = 4 мм; R = 300 мкм 16600
б: L = 4 мм; R1 = 300 мкм; R2 = 600 мкм 11600
в: L = 4 мм; R1 = 300 мкм; R2 = 1 мкм 7500
г: L = 4 мм; R1 = 300 мкм; R2 = 600 мкм; R3 = 300 мкм 14600
д: L = 4 мм; R1 = 600 мкм; R2 = 300 мкм 22700
е: Tank L = 4 мм; R = 300 мкм 15600
ж: Tank L = 4 мм; R = 300 мкм; W = 600 мкм 12200

Приведенные выше исследования показывали зависимость частотной характеристики микрофона от формы прокладки, однако для более точного анализа следует также учитывать еще один важный параметр – акустический импеданс используемого материала. Несмотря на то что значение резонансной частоты зависит, в основном, от формы прокладки, основное влияние на величину резонансного пика оказывает именно акустический импеданс материала. COMSOL позволяет устанавливать в качестве граничных условий материал поверхности, участвующей в моделировании прокладки.

Целью следующего этапа моделирования является определение взаимосвязи между величиной резонансного пика и акустическими свойствами материала. Для этого в качестве граничных условий моделирования будут заданы граничные условия импедансного типа (Impedance Boundary Conditions), а не акустическая жесткая граница (Sound-Hard Boundary) как это было в предыдущих примерах. Для каждой поверхности будет установлен акустический импеданс материала (формула 1), который определяется как произведение плотности материала и скорости звука в этом материале:

$$Z_{aku}=\rho \times c\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В качестве начальных условий выбрано звуковое давление на входе 1 Па, акустический импеданс мембраны MEMS 120 × 150, импеданс акустической полости MEMS 2000 × 1500 (кремний). Указанные параметры являются общими для всех устройств, применяющих данный тип микрофонов, в то время как акустический импеданс прокладки может варьироваться, в зависимости от дизайна конструкции и материала: пластика, резины высокой и низкой плотности и так далее. Также следует учесть материал, из которого будет изготовлен корпус устройства, например, железо, алюминий или пластик.

На рисунке 9 изображена схема поверхностей, участвующих в моделировании. Поверхности желтого и розового цветов имеют конечный постоянный импеданс, в то время как импеданс синей поверхности (прокладки) будет меняться в зависимости от используемого материала.

Рис. 9. Схема поверхностей, участвующих в моделировании

Рис. 9. Схема поверхностей, участвующих в моделировании

В таблице 4 приведены значения плотности и скорости распространения звука для наиболее распространенных материалов, используемых производителями электроники: пластмассы и алюминия, используемых в корпусах; резины высокой и низкой плотности для прокладок; кремния для электронных компонентов, а также материалов для изготовления печатных плат (PCB).

Таблица 4. Акустические свойства материалов

Материал Плотность, кг/м3 Скорость распространения звука в материале, м/с
Воздух 1,2 343
Алюминий 2700 6400
PCB 1850 2740
Стекло 2400 4000
Кремний 2000 1500
Резина высокой плотности 1520 150
Резина низкой плотности 200 150
Пластик 1200 2500
Свинец 11340 1150
Железо 7870 5000
Мембрана MEMS 120 150

На рисунке 10 изображены графики зависимости величины резонансного пика от материала прокладки. Пик ослабляется пропорционально падению плотности материала и скорости распространения звука в нем. Таким образом, при проектировании прокладки, помимо ее формы, также необходимо учитывать параметры материала, из которого она будет изготавливаться. Если конечной целью является получение максимально гладкой частотной характеристики, прокладку следует изготавливать из материалов с низким значением плотности и скорости распространения звука. К таким материалам, в частности, относятся мягкие сорта резины.

Рис. 10. Зависимость величины резонансного пика от материала прокладки

Рис. 10. Зависимость величины резонансного пика от материала прокладки

В таблице 5 приведены более точные результаты моделирования.

Таблица 5. Величина пика резонанса в зависимости от материала прокладки

Материал акустической полости MEMS Мембрана MEMS Материал прокладки Резонансный пик, дБ
Кремний Мембрана Акустическая жесткая граница 58,153088
Кремний Мембрана Железо 22,064283
Кремний Мембрана Пластик 21,99249
Кремний Мембрана Резина высокой плотности 21,136204
Кремний Мембрана Резина низкой плотности 14,517481

Последний пример моделирования подразумевает под собой получение частотной характеристики микрофона, максимально приближенной к реальным условиям применения. Микрофон имеет входной порт, расположенный снизу в планшете, как это показано на рисунке 11. Акустическая полость в данном случае состоит из полости MEMS самого микрофона, отверстия в печатной плате, прокладки, выполненной из мягкой резины, и отверстия в корпусе планшета.

Рис. 11. Пример расположения микрофона в планшете и его акустической полости

Рис. 11. Пример расположения микрофона в планшете и его акустической полости

Для моделирования акустической полости, показанной на рисунке 11б, необходимо ввести данные по каждому материалу, используемому при ее построении. В качестве примера были заданы стандартные материалы, используемые производителями электронного оборудования: FR4 для печатной платы, резина низкой плотности для прокладки и алюминий для корпуса планшета. Результаты моделирования в COMSOL приведены на рисунке 12.

Рис. 12. Частотная характеристика и распределение давления внутри акустической полости

Рис. 12. Частотная характеристика и распределение давления внутри акустической полости

На рисунке 12а показана частотная характеристика с резонансным пиком на частоте около 21600 Гц. На рисунке 12б показано, как звуковое давление распространяется внутри акустической полости. Наибольшее давление на резонансной частоте будет присутствовать на мембране MEMS. По результатам моделирования видно, как прокладка может влиять на частотную характеристику микрофона в реальном устройстве.

Добавление прокладки в устройство порождает его резонансный отклик, частоту и величину резонансного пика которого можно отрегулировать путем изменения формы и материала прокладки. Использование прокладки позволяет расширить звуковой диапазон без использования каких-либо дополнительных аналоговых или цифровых инструментов. Однако в тех случаях, когда конечное устройство должно обладать плоской частотной характеристикой, форма и материал прокладки являются критически важными параметрами и должны подбираться с особой тщательностью. Другими словами, прокладка микрофона может играть важную роль в выравнивании звукового диапазона устройства.

Литература

  1. COMSOLuserguideversion5a
  2. COMSOL modeling guide version 3.5a
  3. COMSOL Introduction to Acoustics Module

Оригинал статьи

Перевел Святослав Зубарев по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
MP34DT01TR-M (ST)
MP34DT05TR-A (ST)
X-NUCLEO-CCA02M1 (ST)