MEMS 마이크의 음향 설계

MEMS 마이크는 크기는 작지만 고성능이므로 태블릿, 노트북, 스마트폰과 같은 전자 제품에 이상적이다.
그러나 이와 같은 제품에 사용되는 마이크의 사운드 인렛은 일반적으로 외부 환경과 직접 접촉되지는 않는다.
때문에 외부 환경에서 마이크까지 음향 경로를 설계해야 한다. 이 음향 경로 설계는 시스템 전체 성능에 영향을
줄 수 있다.

STMicroelectronics SRL  Alessandro Morcelli
STMicroelectronics, Inc.  John Widder





태블릿에 사용되는 마이크의 일반적인 음향 경로 예를  그림 1에 나타낸다. 외부 환경과 마이크 멤브레인 사이에 있는 부품들은 -제품 하우징, 음향 개스킷(Acoustic Gasket), PCB 및 마이크- 모두 시스템의 전체 주파수 응답을 결정하는 음파 가이드 역할을 한다. 또한, 음향 경로에 사용된 재료의 음향 임피던스도 주파수 응답에 영향을 미친다.
음향 설계가 어떻게 작동할지 정확히 예측하기 위해서는 COMSOL®과 같은 전문 시뮬레이션 툴을 이용하여 음향 경로 모델링과 주파수 응답 시뮬레이션을 실행해야 한다. 여기서는 마이크의 음향 경로를 최적화하기 위한 기본적인 가이드라인 몇 가지를 알아본다.

‌헬름홀츠 공명

좁은 사운드 인렛(Sound Inlet : 소리 유입 통로)의 중공 캐비티는 자극을 받으면 음향적으로 공명을 일으킨다. 바로 이 원리에 의해 빈 병 입구를 향해 바람을 불면 소리가 나는 것이다. 이와 같은 구조는 발명가 헤르만 폰 헬름홀츠(Hermann von Helmholtz)의 이름을 따서 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)라고 한다. 헬름홀츠는 공명 주파수가 다른 여러 개의 공명기를 사용하여 음악과 기타 복잡한 사운드에 있는 주파수 성분을 식별했다.

헬름홀츠 공명의 중앙 주파수는 식 (1)과 같다. 식 (1)에서 c는 공기에 있는 사운드 속도, AH는 사운드 인렛의 단면적, LH는 인렛의 길이, VC는 캐비티의 용량을 의미한다. 이 식은 일정한 단면이 캐비티에 연결된 튜브로 이루어진 단순한 구조라는 것을 가정한다. 다양한 단면의 다른 재료로 이루어진 마이크의 음향 경로에서 음파 거동을 설명하는 식은 훨씬 더 복잡하다. 때문에 전체 음향 경로의 퍼포먼스를 정확하게 예측하기 위한 시뮬레이션이 필요하다.
여기서는 개스킷의 두께와 구멍 지름, 제품 하우징 및 PCB의 구멍 지름, 음향 경로의 휨(Bend), 사용된 재료의 음향 임피던스에 변화를 가하여 다양한 음향 경로의 주파수 응답을 시뮬레이션했다. 이 결과를 통해, 설계자들은 같은 파라미터가 변경되면 음향 경로 전체 성능에 어떤 영향을 주게 될지 예측할 수 있을 것이다.

 ‌마이크의 주파수 응답

MEMS 마이크 응답은 저주파수에서 센서 멤브레인의 앞쪽과 뒤쪽 사이에 있는 환기구 치수와 백 체임버의 용량에 의해 결정되는 반면, 고주파수에서는 마이크의 프론트 체임버와 사운드 인렛으로 만들어진 헬름홀츠 공명에 의해 결정된다.



헬름홀츠 공명에 의해 주파수 응답의 감도가 저주파수에서는 떨어지고, 고주파수에서는 상승한다. 이와 같이 전체적인 주파수 응답 모양은 대부분의 MEMS 마이크에서 동일하다. 그러나 고주파에서는 센서 설계, 패키지 크기 및 구조 차이 때문에 서로 다른 MEMS 마이크 사이에서 응답 차이가 커진다. ST의 MEMS 마이크는 프론트 체임버의 크기를 최소화하고 우수한 고주파 응답을 보장하기 위해, 센서가 대부분 사운드 인렛 바로 위에 있다.


그림 4의 시뮬레이션은 ST의 MP34DB01 MEMS 마이크 자체 주파수 응답을 나타낸 것이다. 이 시뮬레이터는 모델의 모든 이산점(Discrete Point)에서 음향식을 풀어낸다. 시뮬레이션이 끝나면 원하는 지점 어디에서든 수집된 데이터를 그래프로 그릴 수 있다.
MP34DB01 마이크 시뮬레이션에 따르면, 이 마이크의 응답은 약 ＋3dB at 20kHz의 일반적인 감도 상승과 함께 고주파수에서 매우 평탄하게 나타난다. 이것은 이 마이크의 헬름홀츠 공명의 중심 주파수가 매우 높기 때문이다. 시뮬레이션 결과는 MP34DB01의 측정 주파수 응답과 일치한다.
 
‌개스킷 두께가 주파수 응답에 미치는 영향

마이크의 사운드 인렛과 제품 하우징의 음향 포트에 공기가 빠져나가지 않도록 밀봉하기 위해서는 개스킷이 필요하다. 개스킷이 마이크 위에 놓이면, 마이크의 프론트 체임버로 통하는 사운드 인렛의 유효 길이를 늘려 공명 주파수를 변화시킨다. 그림 5의 시뮬레이션은 일정한 지름(400㎛)의 실린더형 튜브를 놓고, 마이크 사운드 인렛 위의 길이를 다양하게 함으로써 개스킷의 두께가 주파수 응답에 어떤 영향을 미치는지 나타낸 것이다.
이 시뮬레이션을 통해 개스킷을 추가하면 고주파수 응답이 나빠진다는 것을 알 수 있다. 개스킷(및 바닥 포트 마이크의 경우 PCB)을 추가하면, 사운드 인렛의 유효 길이가 늘어난다. 때문에 공명 주파수가 낮아지고 고주파수에서 감도가 높아진다. 개스킷 두께가 두꺼우면 공명기 넥(Resonator Neck)의 길이가 늘어나 공명 주파수가 낮아지고 고주파수 응답이 나빠진다.

 ‌개스킷 홀 지름이 주파수 응답에 미치는 영향

다음 시뮬레이션들은 두께가 일정하고(2mm) 홀 지름이 다양한 경우, 개스킷이 주파수 응답에 미치는 영향이 무엇인지 보여준다. 그림 6은 다양한 개스킷 홀 지름의 시뮬레이션 결과이다. 이 시뮬레이션을 통해, 개스킷 홀의 지름을 늘리면 공명 주파수가 높아져 전체적인 주파수 응답이 개선된다는 것을 알 수 있다.
 ‌다양한 모양이 주파수 응답에 미치는 영향

지금까지의 결과는 헬름홀츠 공명 주파수 식을 검토함으로써 예측할 수 있는 내용과 일치했다. 다음 일련의 시뮬레이션은 마이크 음향 경로의 모양 변화가 미치는 영향을 검토한 것으로, 이것은 예측하기 쉽지 않다.
그림 7(a)에 나타난 음향 경로는 길이와 지름이 각각 4mm, 600㎛로 일정하고 단순한 구조로 되어 있으며 다른 시뮬레이션과의 비교점 역할을 담당한다. 검토 대상인 다른 음향 경로들은 제품 하우징, 개스킷, PCG의 폭과 모양 차이를 시뮬레이션하는 반경, 길이, 모양이 다른 캐비티 등을 추가함으로써 복잡하게 만들었다.
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다양한 재료가 주파수 응답에 미치는 영향

지금까지 실시한 시뮬레이션을 통해 음향 경로 모양이 주파수 응답에 미치는 영향에 대해 살펴봤으며, 모든 표면에 사운드 하드 경계 조건을 사용했다. 다음 시뮬레이션을 통해서는 개스킷의 음향 임피던스가 주파수 응답에 어떤 영향을 미치는지 검토할 수 있다.



그림 9에서 인렛(노란색), 센서 바디(핑크) 및 센서 멤브레인(녹색) 표면에 사용된 재료에는 적절한 음향 임피던스가 사용됐고, 파란색 표면의 음향 임피던스는 다양하다. 재료의 음향 임피던스는 재료 밀도와 그 재료 내 음속의 곱으로 정의된다(Z＝ρ·c). 개스킷은 일반적으로 고무나 기타 탄성 중합체 물질로 구성되며, 일반적인 하우징 재료에는 플라스틱, 알루미늄, 강철 등이 있다.


개스킷의 음향 임피던스를 변경하더라도 음향 경로 형태에 따라 결정되는 공명 주파수에는 영향을 주지 않지만, 공명의 Q에는 영향을 미친다. 음향 경로가 계속해서 공명해도, 부드러운 개스킷 재료는 공명 크기를 줄이고 공명 주파수 가까이에서 영향을 줄인다. 사운드 인렛에 철 표면 재료를 사용해도 사운드 하드 경계 조건으로 얻은 결과보다 응답의 최대값 크기가 상당히 줄었다. 이를 통해 사운드 하드 경계 조건을 이용하면 비현실적으로 지나친 결과가 나온다는 것을 알 수 있다.

 ‌사례 조사 … 바닥 포트 마이크가 적용된  태블릿의 전체 음향 경로 분석

그림 11은 태블릿의 바닥 포트 마이크 음향 경로 예를 나타낸 것이다. 이 그림을 참고하여 바닥 포트 마이크는 PCB에 장착됐고, PCB와 제품 하우징을 밀봉하기 위해 연질 고무 개스킷이 사용됐다는 것을 확인할 수 있다.
이 시뮬레이션에서는 음향 경로의 전체 부품에 대해 적절한 음향 특성이 사용됐다. 그림 11(b)는 그림 11(a)에 나타난 음향 경로 구조의 3D 모델이다. 이 시뮬레이션에 사용된 재료는 일반 가전제품에서도 찾아볼 수 있다. PCB는 FR4, 개스킷은 연질고무, 케이스 재료는 알루미늄을 사용했다.
그림 12(a)는 공명 최대값이 약 21.6kHz인 마이크 음향 경로의 주파수 응답을 나타내며, 그림 12(b)는 공명 주파수에서 음향 경로 내의 압력 분포를 나타낸다. 공명 주파수에서 최대 압력은 MEMS 멤브레인에 있다.

다음과 같은 가이드라인은 마이크의 음향 경로 주파수 응답을 최적화하는 데 도움이 될 것이다.
•음향 경로를 가능한 한 짧고, 넓게 유지해야 한다. 외부 끝에서 음향 경로 폭을 넓히면 주파수 응답에 긍정적인 영향을 주지만, 마이크 옆에서 넓히면 부정적인 영향을 준다.
•음향 경로에서 캐비티를 모두 제거하도록 노력해야 한다. 캐비티 제거가 불가능할 때에는, 마이크 사운드 인렛과 직접적으로 닿는 것을 피하도록 한다.
•음향 경로를 구부리는 것은 주파수 응답에 큰 영향을 주지 않는 것 같다.
•부드러운 개스킷 재료는 공명을 줄이고 주파수 응답을 개선할 수 있다.