当你在线上会议上发表演讲时、对智能设备说出语音命令时，或者在电话中交谈时，你的声音很有可能是通过 MEMS 技术被接收的。因此这种固态半导体技术经常被用于制造能产生高品质音效的现代微型扬声器。这篇博客，我们将探讨 MEMS技术为麦克风带来的好处，制造 MEMS 麦克风所面临的挑战，以及如何借助仿真来提高这类麦克风设计过程的效率。此外，我们还将讨论由 MEMS 技术驱动的现代微型扬声器的最新进展。
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，因此在笔记本电脑或手机等设备上添加多个麦克风成为可能。由于能够提供高信噪比，加上体积小所带来的优势，MEMS 设备具有滤波和主动降噪（ANC）功能。这使得 MEMS 麦克风能够拾取清晰的语音信号，并过滤掉来自外界的嘈杂环境。此外，MEMS 麦克风的硅结构使其很容易集到成数字产品中、抗技术振动而且批量生产的成本低。
图1 一个 MEMS 麦克风模型。
由于 MEMS 技术所具有的这些优点，因此它越来越多地被应用在智能家居设备、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，对 MEMS 麦克风的需求也在增加。
MEMS 麦克风仿真
有了仿真软件，工程师就可以精确模拟这些器件，放大不同的关注区域，也更容易深入探究这种微小尺度技术。对于小尺度（通常是亚毫米尺度）的MEMS麦克风，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，制造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，从而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变量。例如，在 COMSOL 案例库中的MEMS 麦克风模型中，您可以使用边界条件来考虑 MEMS 麦克风中高克努森数的影响。
麦克风由一个微型穿孔板 (MPP)、一个振膜和一个封闭背腔组成。振膜表面采用了滑移条件，因此壁面的切向速度取决于边界处的流体应力。这会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，我们将简要介绍该模型的一些模拟结果。您可以在文末下载这个模型模拟的详细分步说明。
结果探讨
在研究的一开始，电场会对振膜施加预应力，使它产生静态变形，就像拉紧吉他弦一样。然后向微型穿孔板上表面施加压力，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 在 20 kHz 下所有域的声压。
如图 4 所示，对声速的研究表明，黏滞阻尼区域是通过微型穿孔板上的孔，以及微型穿孔板和振膜之间的挤压流动产生的。
图 4 声速结果。
最后，模型分析了 MEMS 麦克风在 200 Hz 到 20 kHz 的频率响应。较低的频率下显示出下降，由于耦合电路的原因，响应曲线不再平坦。而在较高的频率下，响应则有所下降。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 麦克风在日常电子设备中很常见，在仿真的帮助下，其性能不断提升。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。跟被发明时的机械系统一样，扬声器技术由磁体、线圈和振膜组成。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，尤其是在耳机方面。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。振膜本身通常不够坚硬，无法在高频时保持活塞式运动：振膜在响应磁体推动时可能会发生翘曲，这就有可能使一些声音变得浑浊。
图 6 采用 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 扬声器去除了磁体，因此质量更轻、体积更小且音量更均匀，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结束声音，从而能更清晰地分离不同的声音。最近，一系列配备 MEMS 驱动器的无线耳机的发布标志着人类首次将 MEMS 技术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。大多数麦克风已经采用了 MEMS 技术，能够解析出音频信号中越来越小的细微差别，耳机中也很可能会采用 MEMS 技术，以播放最高品质的录音。为了帮助这些领域创新，仿真技术提供了一种深入观察微型设计的方法，还能在制作物理原型之前对设计进行精确模拟和优化。
MEM为推动音频制造进步打开了许多新的通道。因此，当您下一次听音乐或进行视频通话时，可以花点时间想一想您的微型扬声器或麦克风里装的是什么，因为它可能就是 MEMS 技术！
下一步
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