MEMS麦克风环境防护方法之声学半透明纳米纤维网

原创 MEMS 2024-10-11 00:01

【有奖直播】深入学习Microchip时钟和全新单片机方案 【有奖直播】提升毫米波信号测试精度

MEMS麦克风凭借其声学性能高且可重现、与ASIC兼容性高、温度稳定性好、制造成本低以及可通过回流焊接集成到小型封装中等优势，在很多领域的应用日益广泛。如今，大批量MEMS麦克风不仅集成在消费电子产品（例如智能手机、平板电脑、智能手表、笔记本电脑和真无线立体声耳机）中，而且还扩展到了汽车、医疗和工业设备中。除了利用真差分MEMS换能器或新型膜材料优化关键声学性能参数（例如灵敏度、噪声和信噪比）外，业界还致力于提高封装MEMS麦克风的鲁棒性，使其免受灰尘颗粒或液体渗入等环境影响。

据麦姆斯咨询报道，英飞凌科技股份有限公司（Infineon Technologies）最近开发的MEMS麦克风已经具备了基本的防尘防水等级（IP57），但宏观尺度的撞击物体（例如沙粒、毛发和金属屑）仍会损坏其通常非常薄的多晶硅膜。因此，可选择在智能手机和智能手表等电子设备的声道或外壳中加入额外的保护组件（例如网或膜），以更好地保护MEMS麦克风免受此类干扰物质的影响。由此获得的保护级别提高了，但也会带来不利影响，因为在声道中添加屏障会降低MEMS麦克风的灵敏度（插入损耗）和/或增加其噪声，从而降低系统信噪比（SNR）。此外，如今消费类电子产品采用的环保组件通常包括全氟和多氟烷基物质（PFAS）材料，这是一类含氟有机化学品。这些材料在亚洲、欧洲和北美等国家的监管措施中都进行了深入讨论，在不久的将来，这些材料在产品中的应用可能会受到限制。因此，以工业规模生产不含PFAS的环保组件，同时满足高防护等级和优异的声学性能要求，仍然存在挑战。

利用静电纺丝技术制造的纳米级纤维结构或纳米纤维，提供了卓越的机械性能、高表面积体积比、可调的表面形态和可定制的孔隙率等多种优势特性，并可利用卷对卷工艺大规模生产。这些特点使其对于微米/纳米颗粒过滤应用特别有吸引力。已有科研机构开发出相应的静电纺丝纳米纤维颗粒过滤器，而且，如SAATI SPA等工业公司还制造并实现了商业化。除颗粒过滤外，静电纺丝纳米纤维还在组织工程支架、气体传感器、湿度传感器、智能表面、废水净化器、能量储存器和治疗细胞的安全工程等其他应用领域得到了广泛的探索和应用。要制造基于纳米纤维的微粒过滤器，可选择各种聚合物，如聚丙烯腈（PAN）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚乙烯醇（PVA）和聚酰亚胺（PI），既可单独使用形成纯纳米纤维，也可以和其它材料（例如纳米银颗粒、ZIF-8、纤维素或壳聚糖）结合形成复合纳米纤维。

在这些材料中，PI纳米纤维凭借其高机械强度、多孔性、温度稳定性、耐化学腐蚀性和疏水性等优异性能，可被用作MEMS麦克风等声学传感器的保护组件。PI是一种高性能工程聚合物，其大分子重复单元含有功能性亚胺基团。在市售的PI变体（即脂肪族、半芳香族和芳香族PI）中，芳香族PI的大分子骨架中含有杂环亚胺环和芳香苯环，因其卓越的材料特性而倍受青睐。然而，尽管PI纳米纤维具有这些有利的固有材料特性，但它们对MEMS麦克风系统性能（即灵敏度、噪声和信噪比）的影响仍有待研究。

结合聚酰亚胺（PI）纳米纤维与聚醚醚酮（PEEK）单丝织物网格的环境防护组件

据麦姆斯咨询介绍，德国布伦瑞克工业大学和英飞凌科技股份有限公司的研究人员开发了一种结合PI纳米纤维和聚醚醚酮（PEEK）单丝织物网格的环境防护组件，并在工业标准设置中对其环境适应性、声学特性以及与高信噪比MEMS麦克风的可集成性进行了评估。该研究成果以“Acoustically semitransparent nanofibrous meshes appraised by high signal-to-noise-ratio MEMS microphones”为题发表于Communications Engineering期刊。

研究人员对纳米纤维网和MEMS麦克风进行了仿真，以评估它们的组合声学系统性能。并从电声测量中提取并分析了插入损耗和信噪比损失，从而为设计高性能声学传感器件提供了进一步的策略。

集成纳米纤维网的MEMS麦克风的电声性能

测试表明，研究人员将制造的内径为1.4 mm的纳米纤维网模切部件集成到封装麦克风上时，插入损耗和信噪比损失分别为（0.30±0.11）dBFS和（2.05±0.16）dB(A)。因此，这种纳米纤维网集成MEMS麦克风的信噪比可保持在（70.05±0.17）dB(A)的高值。纳米纤维网的亚微米颗粒过滤效率高达93%，证明了其作为环境防护组件的有效性。

集成纳米纤维网的MEMS麦克风的环境鲁棒性测试