該示例問題演示了如何分析硅微加工麥克風的響應

使用聲學單元和靜電結構耦合場單元。

重點介紹了以下特性和功能：

• 三維聲學單元

• 聲學單元變形

• 三維靜電結構單元

• 線性擾動

介紹

大多數數字設備，如手機和平板電腦，都包括一個甚至幾個麥克風。微機電系統（MEMS）技術由于其微型尺寸（毫米），對于設計這些產品非常有用。

MEMS麥克風遵循電容原理。它由兩個硅基電極組成，由一個薄氣隙隔開；一個電極是剛性的（稱為背板），另一個是在聲壓下偏轉的膜。氣隙充當電極之間的介電材料，電容隨電極之間的距離而變化。

本示例說明了如何分析電容式MEMS麥克風的響應。

問題描述

下圖顯示了MEMS麥克風的幾何結構：

麥克風由一個聲音端口組成，壓力波從該端口進入并到達膜。硅移動膜的直徑為0.6 mm，厚度為0.5μm，并且包含允許麥克風兩側壓力通風的孔。這個膜與剛性背板之間的氣隙為2.2μm（尺寸取自Czarny）。背板包含穿孔，這些穿孔在膜兩側和殼體空腔上的壓力分布中發揮作用，這也是聲學設計的一部分。

建模

結構的三維模型在ANSYS DesignModeler中創建，并用實體單元劃分網格。

結構體使用SOLID185單元。聲學空腔（聲端口、氣隙和殼體空腔）用FLUID30單元建模。氣隙用使用彈性空氣選項（KEYOPT（4）＝1）的SOLID226靜電結構單元（KEYOPT（1）＝1001）的一個單元層劃分網格。

材料和接觸屬性

結構材料屬性如下：

聲學材料屬性如下：

1. 根據低減縮頻率（LRF）近似，對于特定結構，考慮了粘性流體中的聲壓波與剛性壁之間的相互作用。

LRF模型由TB，AFDM命令和薄層選項定義：

電-結構材料屬性如下：

邊界條件和加載

結構邊界條件和載荷

硅襯底的基底在所有結構自由度上都受到約束。此外，對膜施加-200°C的溫度，以表示制造張力預應力。

電氣邊界條件和載荷

向膜施加1.5V的DC偏置電壓，以說明電容隨偏置電壓的變化。背板接地。

聲學邊界條件和載荷

在結構和電氣載荷（溫度和直流偏壓）下進行靜態分析后，進行線性擾動諧波分析，以分析麥克風在輸入壓力波下的響應。在這方面，在聲音端口入口上施加了0.01 m/s的速度和無限輻射邊界。

分析和求解控制

靜態分析

進行大變形（NLGEOM，ON）靜態分析，以在施加溫度下將拉伸應力插入膜中，并在氣隙的膜側引入DC電壓。

在該分析中忽略了聲學單元，但使用了MORPH命令來變形聲學單元，以便為下游線性擾動分析正確地成形聲學單元。在morphi命令上設置StrOpt=YES允許在模型中使用結構單元進行變形：

預應力全諧波響應分析

使用對數跨度選項從20到20000 Hz進行頻率掃描。

在該諧波響應分析中，使用線性攝動法來包括預應力效應；考慮0.45V的DC偏置電壓效應。聲速施加在聲端口入口上，導致膜振動：

結果和討論

靜態分析結果

靜態分析主要用于通過施加直流電壓對結構施加預應力，但也可用于對氣隙的電容（C=電荷/電壓）進行后處理。

預應力全諧波響應分析結果

麥克風可以在可聽頻率帶寬內工作；因此，在此范圍內分析麥克風的靈敏度。靈敏度將輸出電信號表征為施加壓力的函數。理想情況下，靈敏度在頻率范圍內是恒定的，這跟本例的情況幾乎是這樣的：

建議

設置靜電結構和聲學計算時，考慮以下提示和建議：

• 在進行線性擾動諧波分析之前，需要進行預應力分析。

• 聲學網格應足夠精細，以正確捕捉壓力波。

• 為了說明靜態結構分析產生的變形，使用靜態分析中的MORPH命令在聲學流體中變形網格。

參考文獻

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.