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【传感器Uv胶水】MEMS微型扬声器是真正的数字传媒

文章来源:UV胶|UV胶水|UV机|UV胶|无影胶的专业研发供应商人气:2457 发表日期:2021-12-09 15:45:16
信息摘要:
2015年1月,在扬声器制造与声学协会(ALMA)国际会议上,我发表了关于微机电系统(MEMS)扬声器的演讲,随后进行了不少调查。作为上个月关注微型扬声器的后续…

2015年1月,在扬声器制造与声学协会(ALMA)国际会议上,我发表了关于微机电系统(MEMS)扬声器的演讲,随后进行了不少调查。作为上个月关注微型扬声器的后续行动,我们认为可能是关于MEMS微型扬声器的文章的时候了。这是真正的新技术,所以只有最近功能实验室原型才能运行。

照片1:该图说明了MEMS麦克风芯片的工作原理。
(图片由STMicroelectronics提供)

MEMS是非常小的器件的技术,通常由微传感器/换能器和处理数据的专用集成电路(ASIC)组成(例如,编解码器功能和放大)。
我们将一般性地研究MEMS器件,提供MEMS扬声器如何工作的基本解释,以及未来的商业化挑战。当MEMS扬声器是可行的商业产品时,我们还需要考虑它们的实际应用,预计单位成本以及声学优势和劣势。

一点MEMS历史
过去三十年的MEMS发展缓慢而痛苦。关于MEMS开发计划的半导体行业最喜欢的笑话是它们以狗年计算(是人类年的七倍)。然而,MEMS器件在使用集成电路(IC)制造和器件封装工艺制造时变得切实可行(见图1)。MEMS主流消费电子设备包括加速度计,振动传感器(例如,防盗警报器和气囊传感器)和麦克风。

几十年来,MEMS麦克风的承诺进展缓慢,许多开发团队最终放弃了。对MEMS公司的风险资本投资很少取得成功的结果,因为公司只是没有耐心或持续力量继续将资金投入研究。MEMS制造有很多步骤,每一步都能获得高产量似乎总是处于另一个发展阶段(见图2)。第一亿个MEMS麦克风耗时20多年,第二个十亿生产耗时耗时两年。如今,MEMS麦克风主要应用于智能手机,平板电脑和笔记本电脑。

MEMS加速度计原型于1989年在ADI公司(ADI)成功开发,其工艺类似于MEMS麦克风。到20世纪90年代中期,ADI成功地将气囊传感器加速度计商业化。Knowles也开始在同一时间开发其MEMS麦克风程序。2003年,Knowles在商业上推出了SiSonic MEMS麦克风。其他早期MEMS麦克风开发商包括Sonion和Akustica(现在是博世的一部分)。

MEMS第一代麦克风噪声很大,只能达到50 dBa信号/噪声(S / N)。但随着持续改进,灵敏度增加,噪声基底下降。到2010年,一些供应商达到了60 S / N,现在最好达到70 S / N!虽然微电子工程师通过性能规格来衡量MEMS麦克风的成功,但更实际的标准可能是MEMS麦克风占去年所有麦克风的一半以上。Invensense,Knowles,STMicroelectronics,Akustica,AAC,Goertek和许多其他公司都在批量生产MEMS麦克风。许多商品MEMS麦克风供应商实际上是MEMS装配商购买MEMS“麦克风”元件和ASIC(前置放大器,有时是编解码器),并将其整合到IC封装中。

照片2:Akustica的单芯片MEMS麦克风在小尺寸,低成本和高性能方面创造了业界第一。它与笔(a)和实际视图(b)的点相比较。

超越麦克风的音频MEMS
扩展MEMS从麦克风到声音发生器的发展是一个巨大的挑战,因为辐射区域和偏移都是有限的。然而,MEMS器件作为管道内助听器和植入式听力设备(例如,耳蜗和听觉脑干植入物)的理想接收器具有强大的下一步发展。由于它们靠近中耳,这些应用具有非常小的“空气泵送量”以获得足够的声输出。另一个更加雄心勃勃的步骤是耳内式耳机(入耳式监听耳机),其声学输出要求比植入式换能器少得多。
虽然整个行业已经能够数字化和缩小所有其他设备电子设备,但最后一个障碍是扬声器,它仍然是大型,重型,笨重且非常类似的。

一个真正的商用MEMS扬声器还没有准备好,但是我在2月中旬在以色列期间写了这篇文章。当时,Audio Pixels已经成功实现了MEMS扬声器的四部分商业化计划的第三阶段,包括功能原型。音频像素现在可以专注于推进与MEMS扬声器的大规模生产和商业化相关的方面。

图1:该图显示了Audio Pixels的数字声音重建(DSR)方法。

现实检查
MEMS扬声器可以像我们所知的那样发出扬声器的结束信号吗?当MEMS扬声器是可行的商业产品时,可能会对扬声器行业,实际应用,预计单位成本以及声学优势和劣势产生什么影响?

几十年来,MEMS麦克风都显示出来并且没有。然而在过去的几年里,他们已经成为移动音频设备市场的主导者。另一方面,ATCO的超音速阵列扬声器也将接管 – 但这更像是一场股市运动 – 而今天,它只是一个精品应用。NXT也应该为现有的扬声器技术带来“世界末日”,但现在这种平板拓扑仅占据了很小的市场份额。几年前的Tymphany线性阵列换能器(LAT)是声音再现的另一个不同路径的另一个例子。目前,Tymphany正在成功生产传统但执行良好的扬声器设计,不再提供LAT。随着这些过去“不完全改变游戏规则的人”仍然记忆犹新,MEMS扬声器如何适应扬声器行业?很明显,扬声器将成为MEMS技术的一个艰难应用,因为扬声器需要活塞面积和偏移来移动空气。MEMS“扬声器在芯片上”的首次尝试之一是在2002年,其特点是微隔膜的单独寻址,这种机制类似于德州仪器用于视频投影仪的数字光处理(DLP)。十年前,在DLP时代的高峰期,德州仪器(TI)成为最大的MEMS制造商之一。类似于德州仪器(TI)用于视频投影仪的数字光处理(DLP)的机制。十年前,在DLP时代的高峰期,德州仪器(TI)成为最大的MEMS制造商之一。类似于德州仪器(TI)用于视频投影仪的数字光处理(DLP)的机制。十年前,在DLP时代的高峰期,德州仪器(TI)成为最大的MEMS制造商之一。

另一项早期工作是在宾夕法尼亚州匹兹堡的卡内基梅隆大学电子与计算机工程系的MEMS实验室进行的。该微型扬声器阵列使用256个元件,每个元件200×200μm。在边缘操作中,由于10μm的小幅度偏移,它可以仅达到低SPL。其他限制是低8kHz采样率,非常低的SNR和不对称的脉冲响应。
因此,似乎最有前途的MEMS扬声器技术将来自Audio Pixels。该公司采用了一种全新的技术,可以直接从数字音频流中产生声波。

图2:这是所提出的音频像素数字MEMS扬声器的剖视图。

Audio Pixels拥有机电结构,压力生成,声波生成,控制,信号处理和封装等领域的创新专利。其硅芯片既可以作为独立扬声器使用,也可以在同一芯片的任意倍数级联使用,以达到所需的性能规格。这种模块化范例可与“参数扬声器”(如相控阵)或使用更多换能器来增加动态范围相媲美。

Audio Pixels的技术称为数字声音重建(DSR)(见图1)。DSR基于Homer Dudley在贝尔实验室于20世纪30年代末引入的理论。贝尔实验室的原始项目是用于军事通信的安全“数字”语音声码器,“数字扬声器”在接收端重建了语音。从一系列压力产生元件或微传感器产生的离散脉冲的总和产生所需的声波(见图2)。

与模拟扬声器不同,迷你扬声器不需要大的动态范围。在Audio Pixels的设计中,使用了一系列相同的元素,这些元素都经过微调,以适应特定的频率。与模拟扬声器一样,通过改变运动的定时产生不同的频率。不需要外部DAC,这些传感器可以具有比现有扬声器拓扑更高的能量效率,潜在地降低谐波失真,并且改善平坦度(具有简单的EQ)。

Audio Pixels首席技术官Yuval Cohen表示,“基于MEMS的数字声音重建平台使音频扬声器市场能够跟随视频显示器市场的发展,从大型,重型模拟管式监视器到数字平板显示器今天的。推动音频扬声器变化的理由是对更小,更薄,更清晰的声音,更节能的扬声器的需求不断增加。“虽然实际商用MEMS扬声器可能不会很快上市,但该技术正在走向商业化的道路。功能原型已经过演示,Audio Pixels与索尼合作,成为其MEMS代工合作伙伴之一,并与ASIC的ICsense合作。

文章最初发表于2015年5月的Voice Coil。

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