Design monolítico traz alto-falante MEMS todo em silício

Os microfones condensadores de eletreto tradicionais há muito tempo são os microfones mais usados, mas os microfones de sistemas microeletromecânicos (MEMS) estão cada vez mais substituindo-os. Os alto-falantes de bobina de voz sempre foram os alto-falantes mais usados, mas os alto-falantes MEMS algum dia os substituirão? A startup xMEMS, Inc., baseada em Santa Clara, visa mudar o jogo e eclipsar os alto-falantes de bobina de voz e MEMS híbridos implementando todo o alto-falante MEMS - atuador e membrana - em silício.

Testado e verdadeiro?


Fundado em outubro de 2017, o xMEMS está saindo do modo furtivo com a introdução do que afirma ser o primeiro alto-falante MEMS verdadeiro monolítico, oferecendo alta fidelidade, som de largura de banda total e baixa distorção harmônica para dispositivos de áudio pessoais inteligentes como o verdadeiro fones de ouvido estéreo sem fio (TWS), monitores intra-auriculares e fones de ouvido. Apelidado de Montara, o alto-falante MEMS foi testado para clientes selecionados desde abril. Amostras de engenharia agora são liberadas para mais OEMs e fabricantes, os pedidos de risco devem começar no final deste ano e a produção em massa está planejada para abril de 2021.

xMEMS ’Mike Housholder

Se Montara for o primeiro alto-falante MEMS “verdadeiro”, isso significa que há alto-falantes MEMS “falsos”? A resposta é não, mas o xMEMS não interfere na escolha das palavras. Substituir apenas um componente de um alto-falante por MEMS não é suficiente para torná-lo um alto-falante MEMS. Montara é “o primeiro alto-falante monolítico, de matriz única e todo em silício, então sai da fábrica como um alto-falante totalmente funcional”, disse Mike Housholder, vice-presidente de marketing e desenvolvimento de negócios da xMEMS ao EE Times . “Não há processo adicional e etapa de montagem além da embalagem de semicondutor tradicional.”

Montara tem uma arquitetura baseada em células, e cada quadrado é um alto-falante individual. “Ele tem um atuador MEMS piezoelétrico e, no topo, há uma membrana de alto-falante gravada em silício.” A membrana de silício é empurrada para cima e para baixo pelo atuador MEMS piezoelétrico, gerando pressão de ar, que move a membrana e cria som. “Basicamente, criamos uma matriz de seis células para esta primeira implementação do Montara, e essas seis células se movem em conjunto para gerar o sinal de som.”

Por que MEMS?


A tecnologia de bobina de voz existe há um século e parece estar funcionando bem, disse Housholder. Os alto-falantes de bobina de voz multicomponentes, entretanto, requerem linhas de montagem de fábrica de alta variabilidade e trabalho intensivo. Como os alto-falantes da bobina de voz são semiautomatizados, “você verá em qualquer fábrica de alto-falantes centenas ou milhares de trabalhadores enrolando caixas de som manualmente em torno de ímãs, montando plástico ou membranas de papel. E sempre que humanos estão envolvidos, você tem variabilidade. ” Ao fabricar fones de ouvido, ele continuou, “os funcionários precisam passar por um processo de calibração e correspondência para os alto-falantes para garantir que o som dos alto-falantes esquerdo e direito sejam praticamente os mesmos”. Esta etapa de calibração leva inevitavelmente tempo e dinheiro.

O que o xMEMS pretende trazer para a mesa é um alto-falante de largura de banda total com “os benefícios de um processo de semicondutor completo:uniformidade, repetibilidade e consistência”, disse Housholder. “Temos uma faixa de proteção muito estreita, em que cada alto-falante tem um desempenho muito semelhante ao do outro, para que possamos eliminar uma calibração e uma etapa de teste na linha de montagem do fone de ouvido.”

Além disso, os materiais piezoelétricos são resistentes à poeira e à água, “portanto, é muito fácil fazer um alto-falante à prova d'água e à prova de poeira, sem qualquer revestimento especial ou qualquer malha à prova d'água.” Basicamente, o chip que sai da fábrica é IP-57.

Alto-falante Montara do xMEMS

Hoje, cada alto-falante no mercado tem uma frequência ressonante dentro da faixa de frequência audível, mas essa ressonância cria um perfil de som não natural que precisa ser tratado durante a fabricação e o design do alto-falante e do fone de ouvido, explicou Housholder. Com alto-falantes de bobina de voz, “você tem que amortecer a ressonância ou projetar algum tipo de filtragem”. A frequência ressonante de Montara está "ao norte da faixa de frequência audível (20 khz), então não há amortecimento, filtragem ou acomodação especial que precisa ser feito para nosso alto-falante."

E embora a maioria dos alto-falantes sejam colados na caixa do fone de ouvido ou colocados em algum subconjunto, Housholder disse que Montara pode ser colado, preso a um subconjunto ou soldado em uma placa de circuito impresso, como qualquer outro componente semicondutor.

Qualidade de som primeiro


O consumo de mídia se tornou uma rotina em qualquer lugar, a qualquer hora, e os consumidores estão exigindo cada vez mais uma qualidade de áudio aprimorada. De acordo com a empresa de pesquisa de mercado Canalys, as remessas mundiais de dispositivos inteligentes ultrapassarão os 3 bilhões em 2023, com a categoria de áudio pessoal inteligente crescendo mais rapidamente. Em 2020, espera-se que os dispositivos de áudio pessoais inteligentes cresçam 32,1% com relação ao ano anterior, para 490 milhões de unidades.

O xMEMS se posicionará no mercado de rápido crescimento de alto-falantes de áudio de campo próximo, e seus dois primeiros segmentos de produtos serão TWS e monitores in-ear. “Temos que produzir um som igual ou melhor para a bobina de voz para realmente ser considerado para novos projetos”, disse Housholder. “O que há de único nos alto-falantes MEMS piezoelétricos é onde seus alto-falantes bobinas de voz tradicionais afundam e caem em frequências mais altas.” Com MEMS piezoelétricos, "você ganha mais SPL." Ele também permite que os OEMs moldem o perfil do som, porque “não introduz artefatos no som se você filtrá-lo para moldar um som brilhante ou um som quente”.

A startup californiana também descreveu a capacidade de substituir duas a quatro armaduras balanceadas por um único Montara. E “como nosso alto-falante é monolítico, todo em silício, temos um rápido tempo de resposta mecânica. Onde isso vai render os maiores dividendos é no cancelamento de ruído ativo. ”

Apesar de não divulgar o preço, Housholder disse que a empresa comparou Montara com soluções de alta qualidade prontas para o uso. “Seremos competitivos com os alto-falantes de armadura balanceada de hoje e sentimos que estamos trazendo novos benefícios para a mesa pelo mesmo preço.”

No roteiro


Diferentes configurações do Montara poderiam ser desenvolvidas para atender a um ponto de preço mais baixo, disse Housholder. “Estamos pensando em uma configuração de célula dois por dois com quatro células de alto-falante para atingir um preço mais baixo e nos colocar na faixa intermediária do mercado.” Como os fones de ouvido têm uma concha maior que passa sobre a orelha, a xMEMS disse que também está tentando aumentar o número de células para gerar um som maior.

O roteiro da startup vai além dos audíveis, já que “há um grande mercado para alto-falantes de campo não próximo, para espaços abertos e alto-falantes de espaço livre”, disse Housholder. Os alto-falantes tocam em smartphones, alto-falantes inteligentes, barras de som de entretenimento doméstico, TVs e automotivo, onde ele vê uma oportunidade de tirar um peso significativo dos alto-falantes. “Estamos procurando diferentes arquiteturas para abordar a variedade do mercado de alto-falantes lá fora.”

Em julho, o xMEMS arrecadou pouco mais de US $ 11 milhões. Ela tem uma filial em ZhuBei, Taiwan, e emprega 26 pessoas.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times.