All‑Silicon MEMS динамик: монолитный дизайн, революционизирующий аудиотехнологию

Традиционные электретные конденсаторные микрофоны долго оставались самыми используемыми микрофонами, но MEMS‑микрофоны всё чаще их вытесняют. Голосовые катушечные динамики долго оставались самыми используемыми динамиками, но вытеснят ли их MEMS‑динамики? Санта‑Клара стартап xMEMS, Inc. нацелен изменить игру и обогнать голосовые катушечные и гибридные MEMS динамики, реализуя весь MEMS динамик — актуатор и мембрану — в кремнии.

Проверенное и истинное?

Основанная в октябре 2017, xMEMS выходит из стелс‑режима с представлением того, что, по их словам, первый монолитный true MEMS динамик, доставляющий high fidelity, полно‑полосный звук и низкие гармонические искажения для умных персональных аудио устройств: true wireless stereo (TWS) earbuds, in‑ear мониторы и наушники. Названный Montara, MEMS динамик сэмплирован избранным клиентам с апреля. Инженерные сэмплы теперь выпущены большему числу OEM и производителей, risk orders ожидаются к концу года, масс‑производство запланировано на апрель 2021.

xMEMS Майк Хаусхолдер

Если Montara — первый «true» MEMS динамик, значит ли это, что есть «false» MEMS динамики? Ответ — нет, но xMEMS не играет в слова. Замена только одного компонента динамика MEMS не делает его MEMS динамиком. Montara — «первый монолитный, single‑die, all‑silicon динамик, поэтому он выходит из фаба как полностью функциональный динамик», — сказал Майк Хаусхолдер, VP маркетинга и бизнес‑развития xMEMS, EE Times. «Нет дополнительных процессов и сборочных шагов, кроме традиционной полупроводниковой упаковки».

Montara имеет cell‑based архитектуру, и каждый квадрат — индивидуальный динамик. «У него пьезоэлектрический MEMS актуатор, и сверху — мембрана динамика, вытравленная из кремния». Кремниевая мембрана толкается вверх‑вниз пьезоэлектрическим MEMS актуатором, генерируя воздушное давление, двигающее мембрану и создающее звук. «Мы по сути создали массив из шести ячеек для этой первой реализации Montara, и эти шесть ячеек движутся в унисон для генерации звукового сигнала».

Почему MEMS?

Голосовая катушка существует столетие и, кажется, работает нормально, сказал Хаусхолдер. Многокомпонентные голосовые катушечные динамики, однако, требуют трудоемких, высоковариабельных фабричных линий сборки. Поскольку голосовые катушечные динамики полу‑автоматизированы, «вы увидите в любой динамиковой фабрике сотни или тысячи рабочих, вручную наматывающих голосовые катушки на магниты, монтирующих пластиковые или бумажные мембраны. И всякий раз, когда люди задействованы, у вас есть вариабельность». При производстве earbuds, продолжил он, «рабочие должны проходить через калибровку и матчинг динамиков, чтобы убедиться, что левый и правый динамик звучат примерно одинаково». Этот калибровочный шаг неизбежно занимает время и деньги.

Что xMEMS приносит на стол — full bandwidth динамик с «преимуществами полного полупроводникового процесса: uniformity, repeatability и consistency», — сказал Хаусхолдер. «У нас очень тесный guard band, где каждый динамик выполняет очень похоже на другой, так что мы можем устранить калибровочный и тестовый шаг на линии сборки earbuds».

Более того, пьезоэлектрические материалы стойки к пыли и воде, «так что это делает очень легким сделать водонепроницаемый, пыленепроницаемый динамик без специального покрытия или водонепроницаемой сетки». По сути, чип как он выходит из фаба — IP‑57.

xMEMS Montara динамик

Сегодня каждый динамик на рынке имеет резонансную частоту внутри слышимого диапазона, но этот резонанс создает неестественный звуковой профиль, который нужно обрабатывать при производстве и дизайне динамика и earbud, объяснил Хаусхолдер. С голосовыми катушечными динамиками «вы должны либо демпфировать резонанс, либо проектировать какую‑то фильтрацию». Резонансная частота Montara «севернее слышимого диапазона (20 кГц), поэтому никакого специального демпфирования, фильтрации или приспособления не нужно для нашего динамика».

И пока большинство динамиков либо клеятся к корпусу earbud либо ставятся на саб‑сборку, Хаусхолдер сказал, Montara может быть склеен, присоединен к саб‑сборке или припаян на печатную плату, как любой другой полупроводниковый компонент.

Качество звука на первом месте

Потребление медиа стало anytime, anywhere рутиной, и потребители всё больше требуют улучшенного аудио‑качества. По данным Canalys, мировые поставки умных устройств превысят 3 млрд в 2023, с категорией smart personal audio растущей быстрее всего. В 2020 smart personal audio устройства ожидают рост 32.1% год‑к‑году до 490 млн единиц.

xMEMS позиционирует себя в быстрорастущем рынке near‑field аудио динамиков, и ее первые два продуктовых сегмента — TWS и in‑ear мониторы. «Мы должны производить равный или лучший звук, чем голосовая катушка, чтобы реально рассматриваться для новых дизайнов», — сказал Хаусхолдер. «Что уникально для пьезоэлектрических MEMS динамиков — это там, где ваши традиционные голосовые катушечные динамики проседают и падают на высоких частотах». С пьезоэлектрическими MEMS «вы получаете больше SPL». Это также позволяет OEM формировать звуковой профиль, потому что «не вносит артефактов в звук, если вы фильтруете его для формирования либо яркого, либо теплого звука».

Калифорнийский стартап такжеoutlined способность заменить два‑четыре balanced armature одним Montara. И «потому что наш динамик монолитный, весь в кремнии, у нас быстрый механический отклик. Там, где это заплатит крупнейшими дивидендами — в активном шумоподавлении».

Хотя не раскрывая цену, Хаусхолдер сказал, компания бенчмаркировала Montara с off‑the‑shelf high‑end решениями. «Мы будем конкурентоспособны с сегодняшними balanced armature динамиками, и чувствуем, что приносим новые выгоды за равную цену».

На дорожной карте

Разные конфигурации Montara могут быть разработаны для адресации более низкой ценовой точки, сказал Хаусхолдер. «Мы смотрим на 2×2 ячеекую конфигурацию с четырьмя динамиков для попадания в нижнюю цену и вход в mid‑range рынок». Поскольку наушники имеют большую чашку, накрывающую ухо, xMEMS сказал, что также смотрит на увеличение числа ячеек для генерации более громкого звука.

Дорожная карта стартапа выходит за hearables, так как «есть большой рынок для non‑near‑field аудио, для open space, free space аудио громкоговорителей», — сказал Хаусхолдер. Громкоговорители касаются смартфонов, умных колонок, домашних саундбаров, ТВ, авто, где он видит возможность убрать значительный вес из громкоговорителей. «Мы смотрим на разные архитектуры для подхода к разнообразию рынка громкоговорителей».

В июле xMEMS привлекла немного более $11 млн. Есть филиал в Чжубэй, Тайвань, штат 26 человек.

>> Эта статья изначально опубликована на нашем партнерском сайте EE Times.