All‑Silicon MEMS-luidspreker: Een monolithisch ontwerp dat audio-technologie revolutioneert

Traditionele electret-condensatormicrofoons zijn lang de meest gebruikte microfoons gebleven, maar micro‑electromechanische systemen (MEMS)-microfoons verdringen ze steeds meer. Voice-coil-luidsprekers zijn lang de meest gebruikde luidsprekers gebleven, maar zullen MEMS-luidsprekers ze ooit verdringen? Het in Santa Clara gevestigde startup xMEMS, Inc. wil het spel veranderen en voice-coil- en hybride‑MEMS-luidsprekers eclipsen door de volledige MEMS-luidspreker – actuator en membraan – in silicium te implementeren.

Beproefd en waar?

Opgericht in oktober 2017, komt xMEMS uit stealth-mode met de introductie van wat het claimt de eerste monolithische echte MEMS-luidspreker is, die high-fidelity, full-bandwidth-geluid en lage harmonische vervorming levert voor slimme persoonlijke audio-apparaten zoals true wireless stereo (TWS) oordopjes, in-ear-monitors en hoofdtelefoons. Gedoopt Montara, is de MEMS-luidspreker gesampled naar geselecteerde klanten sinds april. Engineering-samples zijn nu vrijgegeven aan meer OEM's en fabrikanten, risico-orders worden verwacht aan het einde van dit jaar, en massaproductie is gepland voor april 2021.

xMEMS' Mike Housholder

Als Montara de eerste "echte" MEMS-luidspreker is, betekent dat dat er "valse" MEMS-luidsprekers zijn? Het antwoord is nee, maar xMEMS knoeit niet met de keuze van woorden. Het vervangen van slechts één component van een luidspreker met MEMS is niet genoeg om het een MEMS-luidspreker te maken. Montara is "de eerste monolithische, single-die, all-silicon luidspreker, dus het komt uit de fab als een volledig functionele luidspreker," zei Mike Housholder, VP marketing en business development bij xMEMS, tegen EE Times. "Er is geen additioneel proces- en assemblage-stap nodig behalve traditionele semiconductor-verpakking."

Montara heeft een cel-gebaseerde architectuur, en elk vierkant is een individuele luidspreker. "Het heeft een piezoelectrische MEMS-actuator en, erbovenop, is er een luidspreker-membraan geëtst uit silicium." Het silicium-membraan wordt omhoog en omlaag geduwd door de piezoelectrische MEMS-actuator, wat luchtdruk genereert, wat het membraan beweegt en geluid creëert. "We hebben eigenlijk een array van zes cellen gecreëerd voor deze eerste implementatie van Montara, en die zes cellen bewegen in concert om het geluidssignaal te genereren."

Waarom MEMS?

Voice-coil-technologie is al een eeuw oud, en het lijkt prima te werken, zei Housholder. Multi-component voice-coil-luidsprekers vereisen echter arbeidsintensieve, hoge-variabiliteits fabrieksassemblagelijnen. Omdat voice-coil-luidsprekers semi-geautomatiseerd zijn, "zal je in elke luidsprekerfabriek honderden of duizenden werkers handmatig voice-coil-luidsprekers om magneten wikkelen, plastic of papiermembraan monteren. En wanneer mensen betrokken zijn, heb je variabiliteit." Bij het fabriceren van oordopjes, vervolgde hij, "moeten werkers door een calibratie- en matchingsproces voor de luidsprekers gaan om ervoor te zorgen dat de linker- en rechterluidspreker geluid ongeveer hetzelfde klinkt." De calibratiestap kost onvermijdelijk tijd en geld.

Wat xMEMS op tafel wil brengen is een full-bandwidth luidspreker met "de voordelen van een volledig semiconductor-proces: uniformiteit, herhaalbaarheid en consistentie," zei Housholder. "We hebben een erg strakke guard-band, waar elke luidspreker erg vergelijkbaar presteert met de andere, zodat we een calibratie- en teststap op de oordopje-assemblage-lijn kunnen elimineren."

Verder zijn piezoelectrische materialen stof- en waterbestendig, "dus het maakt het heel gemakkelijk om een waterdichte, stofdichte luidspreker te maken, zonder enige speciale coating of waterdichte mesh." Basisweg is de chip zoals hij uit de fab komt IP‑57.

xMEMS' Montara-luidspreker

Vandaag heeft elke luidspreker op de markt een resonante frequentie binnen het hoorbare frequentiebereik, maar die resonantie creëert een onnatuurlijk geluidsprofiel dat tijdens de fabricatie en het ontwerp van de luidspreker en het oordopje afgehandeld moet worden, legde Housholder uit. Met voice-coil-luidsprekers "moet je de resonantie dempen of een soort filter ontwerpen." Montara's resonante frequentie is "noord van het hoorbare frequentiebereik (20 khz), dus er is geen speciale demping, filtering of accommodatie nodig voor onze luidspreker."

En terwijl de meeste luidsprekers ofwel aan het oordopje-behuizing gelijmd worden of op een sub-assemblage geplaatst worden, zei Housholder dat Montara gelijmd, aan een sub-assemblage gehecht of gesoldeerd kan worden op een printplaat, zoals elk ander semiconductor-component.

Geluidskwaliteit eerst

Mediaconsumptie is een overal, elk-moment-ritueel geworden, en consumenten eisen steeds verbeterde audiokwaliteit. Volgens marktonderzoeksbureau Canalys zullen wereldwijde slimme-apparaat-uitzendingen 3 miljard overschrijden in 2023, met de slimme-persoonlijke-audio-categorie als snelst groeiende. In 2020 worden slimme-persoonlijke-audio-apparaten verwacht te groeien met 32,1% jaar-op-jaar, tot 490 miljoen eenheden.

xMEMS zal zich positioneren in de snel groeiende markt van near-field audio-luidsprekers, en de eerste twee productsegmenten zullen TWS en in-ear-monitors zijn. "We moeten een gelijk of beter geluid produceren dan voice-coil om echt overwogen te worden voor nieuwe ontwerpen," zei Housholder. "Wat uniek is aan piezoelectrische MEMS-luidsprekers is waar uw traditionele voice-coil-luidsprekers dalen en afvallen bij hogere frequenties." Met piezoelectrische MEMS "win je meer SPL." Het stelt OEMs ook in staat om het geluidsprofiel te vormgeven, omdat het "geen artefacten in het geluid introduceert als je het filtert om een helder of warm geluid te vormgeven."

Het Californische startup beschreef ook de mogelijkheid om twee tot vier balanced-armatures te vervangen door een enkele Montara. En "omdat onze luidspreker monolithisch is, allemaal in silicium, hebben we een snelle mechanische responstijd. Waar dat de grootste dividenden zal betalen is in actieve ruisonderdrukking."

Hoewel de prijs niet vrijgegeven wordt, zei Housholder dat het bedrijf Montara gebenchmarkt heeft met off-the-shelf high-end-oplossingen. "We zullen competitief zijn met vandaag de dag balanced-armature-luidsprekers, en we voelen dat we nieuwe voordelen voor gelijke prijs op tafel brengen."

Op de roadmap

Verschillende configuraties van Montara kunnen ontwikkeld worden om een lager prijspunt aan te pakken, zei Housholder. "We kijken naar een twee-op-twee-cel-configuratie met vier luidspreker-cellen om een lagere prijs te halen 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 verhogen van het aantal cellen om een groter geluid te genereren.

De startup's roadmap gaat verder dan hearables, want "er is een grote markt voor non-near-field audio, voor open ruimte, vrije-ruimte audio-luidsprekers," zei Housholder. Luidsprekers raken smartphones, slimme speakers, home-entertainment-soundbars, TV's en automotive, waar hij een kans ziet om significant gewicht van luidsprekers af te halen. "We kijken naar verschillende architecturen om de verscheidenheid van de luidspreker-markte aan te pakken."

In juli heeft xMEMS iets meer dan $11 miljoen opgehaald. Het heeft een takkantoor in ZhuBei, Taiwan, en werkt 26 mensen.

>> Dit artikel was oorspronkelijk gepubliceerd op onze zus‑site, EE Times.