Lorsque vous prenez la parole au cours d’une réunion virtuelle, que vous récitez des commandes vocales dans des appareils intelligents, ou parlez au téléphone, il y a de grandes chances que ce soit une technologie MEMS qui capte votre voix. Ceci est lié à l’usage fréquent de cette technologie de semi-conducteurs à l’état solide dans la création de petits haut-parleurs produisant un son de grande qualité. Dans cet article de blog, nous explorons les bénéfices apportés aux microphones par les MEMS, les défis liés à la production de microphones MEMS, et comment la modélisation et la simulation permettent d’améliorer l’efficacité de la conception de ces microphones. Nous abordons également les dernières avancées en matière de micro-haut-parleurs pilotés par la technologie MEMS.
Les MEMS à l’heure actuelle
Utiliser la technologie MEMS dans les microphones permet d’obtenir un rapport signal sur bruit ou SNR (Signal-to-Noise Ratio) élevé, rapport entre le signal audio souhaité et le niveau de bruit ambiant. Et grâce à la petite taille des MEMS, on peut ajouter plusieurs microphones à un appareil, comme des ordinateurs portables ou des téléphones. La capacité des MEMS à fournir un haut SNR, combiné au bénéfice apporté par leur taille compacte, permet aux MEMS d’avoir un filtrage et une annulation active du bruit (ANC, Active Noise Cancellation). C’est ce qui permet aux microphones MEMS de capter des signaux de voix clairs et de filtrer l’ambiance bruyante du monde extérieur. La structure en silicium des microphones MEMS les rend en outre facilement intégrables à des produits digitaux, résistants aux vibrations, et productibles en masse à faible coûts.
Figure 1. Un microphone MEMS.
En raison de tous les avantages qu’ils procurent, la technologie des MEMS est de plus en plus utilisée dans les microphones des produits de consommation tels que les appareils domestiques intelligents, les téléphones mobiles, les tablettes, les ordinateurs de bureau et portables, et les aides auditives. Ces dernières années, la demande en microphones MEMS est devenue encore plus importante avec la démocratisation du télétravail.
Modéliser un microphone MEMS
Les logiciels de simulation facilitent l’étude d’une technologie aussi petite, en permettant aux ingénieurs de modéliser précisément le dispositif et de regarder de plus près les zones d’intérêt. A la petite échelle des microphones MEMS, typiquement l’échelle submillimétrique, les effets des couches limites thermiques et visqueuses sont importants. Les couches limites sont responsables des pertes par frottements et thermiques dans le système, ce qui amortit la réponse acoustique. Inclure ces effets visqueux et thermiques est important pour obtenir avec précision la réponse acoustique d’un microphone MEMS.
Les techniques de production évoluant, on peut fabriquer des systèmes de plus en plus petits. Ceci dit, des tailles plus petites sont synonymes de hauts nombres de Knudsen, rendant les effets de non-continuité importants. Grâce à la simulation, les ingénieurs peuvent tester de nombreuses variables. Par exemple, avec notre modèle de microphone MEMS, vous pouvez utiliser une condition aux limites pour inclure les effets associés aux nombres de Knudsen élevés dans un microphone MEMS.
Le microphone est constitué d’une plaque microperforée (MPP), d’un diaphragme vibrant, et d’un volume d’air clos à l’arrière. Une condition de glissement a été appliquée à la surface du diaphragme de façon à ce que la vitesse tangentielle aux parois dépende de la contrainte sur le fluide au niveau de la frontière. Cela crée une discontinuité entre la vitesse du solide et celle du fluide.
Figure 2. Microphone MEMS constitué d’une MPP et d’une membrane vibrante.
Analysons brièvement quelques résultats du modèle. N’hésitez pas à passer directement aux instructions pas à pas pour construire ce modèle en le téléchargeant à la fin de cet article de blog.
Analyser les résultats
Au début de l’étude, un champ électrique précontraint le diaphragme afin de lui imposer une déformation statique, un peu comme la mise en tension d’une corde de guitare. Une pression est ensuite appliquée à la surface au-dessus de la MPP, ce qui fait vibrer le diaphragme et génère un signal électrique dans l’espace entre les deux composants, tel qu’illustré sur la Figure 3.
Figure 3. Pression acoustique dans l’ensemble des domaines à 20 kHz.
L’analyse de la vitesse acoustique, représentée dans la Figure 4, révèle que les zones dans lesquelles il y a de l’amortissement visqueux sont positionnées au niveau des trous de la MPP et de l’écoulement comprimé entre la MPP et le diaphragme.
Figure 4. Vitesse acoustique.
Pour finir, on analyse la réponse fréquentielle du microphone MEMS de 200 Hz à 20 kHz. Les basses fréquences présentent une atténuation, la réponse cessant d’être plane du fait du couplage avec le circuit électrique, tandis que la réponse chute dans les hautes fréquences. Les résonances mécaniques sont localisées à plus haute fréquence en raison des petites dimensions du modèle, par conséquent le spectre est presque plat dans la plage audio.
Figure 5. Réponse fréquentielle.
Les microphones MEMS sont répandus dans les appareils de tous les jours et sont constamment améliorés grâce à la modélisation et à la simulation. Dans la suite de cet article, nous allons explorer un nouveau mode d’utilisation des MEMS qui pourrait également bénéficier de l’utilisation de la simulation lors de la conception.
Une nouvelle voie
Les avantages des microphones MEMS s’appliquent aussi aux haut-parleurs MEMS, mais jusqu’à une période très récente, la technologie de ces haut-parleurs n’était pas disponible sur le marché. La technologie des haut-parleurs est souvent basée sur le même système mécanique qu’à l’époque de son invention, constitué d’un aimant, d’une bobine et d’un diaphragme. Ce système a été amélioré au cours des décennies, mais la plupart des haut-parleurs rencontrent des défis de conception similaires, en particulier en ce qui concerne les écouteurs. Le système d’aimant et bobine peut être sensible à des écarts d’alignement de phase, pouvant conduire à un son différent entre chaque oreille. Le diaphragme lui-même n’est souvent pas suffisamment rigide pour conserver un mouvement de piston aux hautes fréquences: le diaphragme peut se déformer sous la poussée de l’aimant, avec le risque de brouiller certains sons.
Figure 6. Ecouteurs dotés de systèmes MEMS.
La technologie MEMS offre des solutions à ces problèmes. En raison de sa conception à base de matériaux semi-conducteurs à l’état solide, un haut-parleur MEMS s’affranchit de l’aimant, ce qui rend le haut-parleur plus léger et plus petit, avec une fabrication plus uniforme, éliminant des problèmes de désalignement de phase. Le diaphragme en silicium est plus rigide et reste linéaire lorsque l’air est pompé, ce qui fait que le son reste clair et non brouillé. Les haut-parleurs MEMS ont en outre un temps de réponse plus court qu’un haut-parleur à aimant et bobine, ce qui signifie qu’ils sont plus rapides à initier et à terminer un son, et qu’ils permettent donc une séparation plus nette entre différents sons. Récemment, une série d’écouteurs sans fil avec des systèmes MEMS a été mise sur le marché, marquant la première incursion commercialisée de la technologie MEMS dans un système haut-parleur.
L’avenir des MEMS
Les microphones et haut-parleurs s’améliorent rapidement grâce à l’intégration des technologies MEMS. La majeure partie des microphones utilisent d’ores et déjà ces technologies, et sont capables de distinguer des détails de plus en plus fins dans les signaux audios, et les écouteurs devraient suivre, en incluant des technologies MEMS leur permettant de lire des enregistrements de la plus haute qualité. Pour appuyer l’innovation dans ces domaines, la simulation offre un moyen d’examiner de près ces designs de petite taille, et de modéliser et optimiser les systèmes avant d’utiliser un prototype physique.
Les MEMS ouvrent de nombreuses portes dans l’avancée de la production audio. La prochaine fois que vous écouterez de la musique ou que vous interviendrez lors d’un appel vidéo, prenez un instant pour penser à ce qu’il y a dans votre micro-haut-parleur ou dans votre microphone, car cela pourrait bien être une technologie MEMS !
Prochaine étape
Vous voulez tester le modèle de microphone MEMS? Le fichier MPH et les instructions pas à pas pour son implémentation sont disponibles dans la Bibliothèque d’applications:
Pour aller plus loin
- Apprenez-en plus sur la technologie des microphones et haut-parleurs MEMS avec ces ressources:
- Apprenez-en plus sur la modélisation des haut-parleurs et de l’acoustique sur le blog COMSOL:
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