案例53-MEMS麦克风的声学分析

该示例问题演示了如何分析硅微加工麦克风的响应

使用声学单元和静电结构耦合场单元。

重点介绍了以下特性和功能：

• 三维声学单元

• 声学单元变形

• 三维静电结构单元

• 线性扰动

介绍

大多数数字设备，如手机和平板电脑，都包括一个甚至几个麦克风。微机电系统（MEMS）技术由于其微型尺寸（毫米），对于设计这些产品非常有用。

MEMS麦克风遵循电容原理。它由两个硅基电极组成，由一个薄气隙隔开；一个电极是刚性的（称为背板），另一个是在声压下偏转的膜。气隙充当电极之间的介电材料，电容随电极之间的距离而变化。

本示例说明了如何分析电容式MEMS麦克风的响应。

问题描述

下图显示了MEMS麦克风的几何结构：

麦克风由一个声音端口组成，压力波从该端口进入并到达膜。硅移动膜的直径为0.6 mm，厚度为0.5μm，并且包含允许麦克风两侧压力通风的孔。这个膜与刚性背板之间的气隙为2.2μm（尺寸取自Czarny）。背板包含穿孔，这些穿孔在膜两侧和壳体空腔上的压力分布中发挥作用，这也是声学设计的一部分。

建模

结构的三维模型在ANSYS DesignModeler中创建，并用实体单元划分网格。

结构体使用SOLID185单元。声学空腔（声端口、气隙和壳体空腔）用FLUID30单元建模。气隙用使用弹性空气选项（KEYOPT（4）＝1）的SOLID226静电结构单元（KEYOPT（1）＝1001）的一个单元层划分网格。

材料和接触属性

结构材料属性如下：

声学材料属性如下：

1. 根据低减缩频率（LRF）近似，对于特定结构，考虑了粘性流体中的声压波与刚性壁之间的相互作用。

LRF模型由TB，AFDM命令和薄层选项定义：

电-结构材料属性如下：

边界条件和加载

结构边界条件和载荷

硅衬底的基底在所有结构自由度上都受到约束。此外，对膜施加-200°C的温度，以表示制造张力预应力。

电气边界条件和载荷

向膜施加1.5V的DC偏置电压，以说明电容随偏置电压的变化。背板接地。

声学边界条件和载荷

在结构和电气载荷（温度和直流偏压）下进行静态分析后，进行线性扰动谐波分析，以分析麦克风在输入压力波下的响应。在这方面，在声音端口入口上施加了0.01 m/s的速度和无限辐射边界。

分析和求解控制

静态分析

进行大变形（NLGEOM，ON）静态分析，以在施加温度下将拉伸应力插入膜中，并在气隙的膜侧引入DC电压。

在该分析中忽略了声学单元，但使用了MORPH命令来变形声学单元，以便为下游线性扰动分析正确地成形声学单元。在morphi命令上设置StrOpt=YES允许在模型中使用结构单元进行变形：

预应力全谐波响应分析

使用对数跨度选项从20到20000 Hz进行频率扫描。

在该谐波响应分析中，使用线性摄动法来包括预应力效应；考虑0.45V的DC偏置电压效应。声速施加在声端口入口上，导致膜振动：

结果和讨论

静态分析结果

静态分析主要用于通过施加直流电压对结构施加预应力，但也可用于对气隙的电容（C=电荷/电压）进行后处理。

预应力全谐波响应分析结果

麦克风可以在可听频率带宽内工作；因此，在此范围内分析麦克风的灵敏度。灵敏度将输出电信号表征为施加压力的函数。理想情况下，灵敏度在频率范围内是恒定的，这跟本例的情况几乎是这样的：

建议

设置静电结构和声学计算时，考虑以下提示和建议：

• 在进行线性扰动谐波分析之前，需要进行预应力分析。

• 声学网格应足够精细，以正确捕捉压力波。

• 为了说明静态结构分析产生的变形，使用静态分析中的MORPH命令在声学流体中变形网格。

参考文献

Dehé, A. (February, 2007). Silicon microphone development and application. Sensors and Actuators A: Physical. 133(2):283-287.

Czarny, J. (2015). Conception, fabrication and characterization of a MEMS microphone. Ph.D. Thesis. National Institute of Applied Sciences. Lyon, France.