Monolitisch ontwerp zorgt voor een volledig siliconen MEMS-luidspreker

Traditionele electret-condensatormicrofoons zijn lange tijd de meest gebruikte microfoons gebleven, maar micro-elektromechanische systemen (MEMS) microfoons verdringen ze steeds meer. Spreekspoelluidsprekers zijn lang de meest gebruikte luidsprekers gebleven, maar zullen MEMS-luidsprekers ze ooit vervangen? Op Santa Clara gebaseerde startup xMEMS, Inc., heeft tot doel het spel te veranderen en spreekspoel- en hybride-MEMS-luidsprekers te verduisteren door de volledige MEMS-luidspreker - actuator en membraan - in silicium te implementeren.

Geprobeerd en waar?

Opgericht in oktober 2017, komt xMEMS uit de stealth-modus met de introductie van wat volgens hem de eerste monolithische echte MEMS-luidspreker is, die high-fidelity, geluid met volledige bandbreedte en lage harmonische vervorming levert voor slimme persoonlijke audio-apparaten zoals true draadloze stereo (TWS) oordopjes, in-ear monitors en koptelefoons. De MEMS-luidspreker, genaamd Montara, is sinds april gesampled om klanten te selecteren. Engineering-samples worden nu vrijgegeven aan meer OEM's en fabrikanten, risico-orders zullen naar verwachting eind dit jaar starten en massaproductie is gepland voor april 2021.

Mike Housholder van xMEMS

Als Montara de eerste "echte" MEMS-luidspreker is, betekent dat dan dat er "valse" MEMS-luidsprekers zijn? Het antwoord is nee, maar xMEMS knoeit niet met de woordkeuze. Het vervangen van slechts één onderdeel van een luidspreker door MEMS is niet voldoende om er een MEMS-luidspreker van te maken. Montara is "de eerste monolithische, single-die, volledig siliconen luidspreker, dus het komt uit de fab als een volledig functionele luidspreker", vertelde Mike Housholder, VP marketing en bedrijfsontwikkeling bij xMEMS, aan EE Times . "Er is geen andere proces- en assemblagestap dan de traditionele verpakking van halfgeleiders."

Montara heeft een celgebaseerde architectuur en elk vierkant is een individuele luidspreker. "Het heeft een piëzo-elektrische MEMS-actuator en bovenop is een luidsprekermembraan geëtst uit silicium." Het siliciummembraan wordt op en neer geduwd door de piëzo-elektrische MEMS-actuator, waardoor luchtdruk wordt gegenereerd, die het membraan beweegt en geluid creëert. "We hebben in feite een reeks van zes cellen gemaakt voor deze eerste implementatie van Montara, en die zes cellen bewegen samen om het geluidssignaal te genereren."

Waarom MEMS?

Spraakspoeltechnologie bestaat al een eeuw en het lijkt goed te werken, zei Housholder. Meercomponenten spreekspoelluidsprekers vereisen echter arbeidsintensieve fabrieksassemblagelijnen met hoge variabiliteit. Omdat spreekspoelluidsprekers halfautomatisch zijn, "zie je in elke luidsprekerfabriek honderden of duizenden arbeiders handmatig spreekspoelluidsprekers om magneten wikkelen, plastic of papieren membranen monteren. En elke keer dat er mensen bij betrokken zijn, heb je variabiliteit.” Bij het vervaardigen van oordopjes, vervolgde hij, "moeten werknemers een kalibratie- en afstemmingsproces voor de luidsprekers doorlopen om ervoor te zorgen dat het geluid van de linkerluidspreker en de rechterluidspreker ongeveer hetzelfde is." Deze kalibratiestap kost onvermijdelijk tijd en geld.

Wat xMEMS op tafel wil brengen, is een luidspreker met volledige bandbreedte met "de voordelen van een volledig halfgeleiderproces:uniformiteit, herhaalbaarheid en consistentie", aldus Housholder. "We hebben een zeer strakke beschermingsband, waarbij elke luidspreker erg op de andere presteert, zodat we een kalibratie- en teststap op de assemblagelijn van de oordopjes kunnen elimineren."

Bovendien zijn piëzo-elektrische materialen stof- en waterbestendig, "dus het maakt het heel gemakkelijk om een ​​waterdichte, stofdichte luidspreker te maken, zonder speciale coating of waterdicht gaas." Kortom, de chip zoals deze uit de fab komt, is IP-57.

xMEMS' Montara-luidspreker

Tegenwoordig heeft elke luidspreker op de markt een resonantiefrequentie binnen het hoorbare frequentiebereik, maar die resonantie creëert een onnatuurlijk geluidsprofiel dat moet worden behandeld tijdens de productie en het ontwerp van de luidspreker en de oordopjes, legde Housholder uit. Met spreekspoelluidsprekers "moet je ofwel de resonantie dempen of een soort filtering ontwerpen." De resonantiefrequentie van Montara ligt "ten noorden van het hoorbare frequentiebereik (20 kHz), dus er is geen speciale demping, filtering of accommodatie voor onze luidspreker."

En hoewel de meeste luidsprekers ofwel aan de behuizing van de oordopjes zijn vastgelijmd of op een subassemblage zijn geplaatst, zei Housholder dat Montara kan worden gelijmd, bevestigd aan een subassemblage of gesoldeerd op een printplaat, net als elk ander halfgeleidercomponent.

Geluidskwaliteit voorop

Mediaconsumptie is een routine geworden waar en wanneer dan ook, en consumenten eisen steeds meer verbeterde audiokwaliteit. Volgens marktonderzoeksbureau Canalys zullen de wereldwijde verzendingen van slimme apparaten in 2023 meer dan 3 miljard bedragen, waarbij de categorie slimme persoonlijke audio het snelst groeit. In 2020 zullen slimme persoonlijke audioapparaten naar verwachting jaarlijks met 32,1% groeien tot 490 miljoen stuks.

xMEMS zal zichzelf positioneren in de snelgroeiende markt van near-field audioluidsprekers, en de twee eerste productsegmenten zullen TWS en in-ear monitors zijn. "We moeten een gelijk of beter geluid produceren dan de spreekspoel om echt in aanmerking te komen voor nieuwe ontwerpen", zei Housholder. "Het unieke aan piëzo-elektrische MEMS-luidsprekers is dat uw traditionele spreekspoelluidsprekers bij hogere frequenties dalen en eraf vallen." Met piëzo-elektrische MEMS "krijgt u meer SPL." Het stelt OEM's ook in staat om het geluidsprofiel vorm te geven, omdat het "geen artefacten in het geluid introduceert als je het filtert om een ​​helder geluid of een warm geluid te vormen."

De Californische startup schetste ook de mogelijkheid om twee tot vier gebalanceerde armaturen te vervangen door een enkele Montara. En “omdat onze luidspreker monolithisch is, geheel van silicium, hebben we een snelle mechanische responstijd. Waar dat de grootste winst oplevert, is actieve ruisonderdrukking.”

Hoewel de prijs niet wordt vrijgegeven, zei Housholder dat het bedrijf Montara heeft gebenchmarkt met kant-en-klare, hoogwaardige oplossingen. "We zullen concurrerend zijn met de gebalanceerde armatuurluidsprekers van vandaag en we hebben het gevoel dat we nieuwe voordelen op tafel brengen voor een gelijke prijs."

Op de routekaart

Verschillende configuraties van Montara zouden kunnen worden ontwikkeld om een ​​lagere prijs aan te pakken, zei Housholder. "We kijken naar een configuratie van twee bij twee cellen met vier luidsprekercellen om een ​​lagere prijs te krijgen en ons in het middensegment van de markt te brengen." Omdat hoofdtelefoons een grotere cup hebben die over het oor gaat, zei xMEMS dat het ook kijkt naar het vergroten van het aantal cellen om een ​​groter geluid te genereren.

De roadmap van de startup gaat verder dan hoorbaar, want "er is een grote markt voor non-near-field audio, voor open space, free space audioluidsprekers", aldus Housholder. Luidsprekers raken smartphones, slimme luidsprekers, home entertainment-soundbars, tv's en auto's, waar hij een kans ziet om aanzienlijk gewicht uit luidsprekers te halen. "We kijken naar verschillende architecturen om de verscheidenheid van de luidsprekermarkt die er is te benaderen."

In juli heeft xMEMS iets meer dan $ 11 miljoen opgehaald. Het heeft een filiaal in ZhuBei, Taiwan, en biedt werk aan 26 mensen.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times.