Monolithisches Design bietet MEMS-Lautsprecher aus reinem Silizium

Herkömmliche Elektret-Kondensatormikrofone sind lange Zeit die am häufigsten verwendeten Mikrofone geblieben, jedoch verdrängen Mikrofone mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) sie zunehmend. Schwingspulenlautsprecher sind lange Zeit die am häufigsten verwendeten Lautsprecher geblieben, aber werden MEMS-Lautsprecher sie jemals verdrängen? Das in Santa Clara ansässige Startup xMEMS, Inc. möchte das Spiel verändern und Schwingspulen- und Hybrid-MEMS-Lautsprecher in den Schatten stellen, indem es den gesamten MEMS-Lautsprecher – Aktor und Membran – in Silizium implementiert.

Bewährt und wahr?

xMEMS wurde im Oktober 2017 gegründet und verlässt den Stealth-Modus mit der Einführung des ersten monolithischen echten MEMS-Lautsprechers, der High-Fidelity, vollen Bandbreitenklang und geringe harmonische Verzerrung für intelligente persönliche Audiogeräte wie true liefert kabellose Stereo-Ohrhörer (TWS), In-Ear-Monitore und Kopfhörer. Der MEMS-Lautsprecher mit dem Namen Montara wird seit April ausgewählten Kunden angeboten. Technische Muster werden jetzt an weitere OEMs und Hersteller freigegeben, Risikoaufträge werden voraussichtlich Ende dieses Jahres beginnen und die Massenproduktion ist für April 2021 geplant.

Mike Householder von xMEMS

Wenn Montara der erste „echte“ MEMS-Lautsprecher ist, bedeutet das dann, dass es „falsche“ MEMS-Lautsprecher gibt? Die Antwort ist nein, aber xMEMS spielt nicht mit der Wortwahl. Es reicht nicht aus, nur eine Komponente eines Lautsprechers durch MEMS zu ersetzen, um ihn zu einem MEMS-Lautsprecher zu machen. Montara ist „der erste monolithische Single-Die-Vollsilikon-Lautsprecher, also kommt er als voll funktionsfähiger Lautsprecher aus der Fabrik“, sagte Mike Housholder, VP Marketing und Geschäftsentwicklung bei xMEMS, gegenüber EE Times . „Es gibt keinen zusätzlichen Prozess- und Montageschritt außer dem herkömmlichen Halbleiter-Packaging.“

Montara hat eine zellenbasierte Architektur und jedes Quadrat ist ein individueller Lautsprecher. „Er hat einen piezoelektrischen MEMS-Aktor und obenauf eine aus Silizium geätzte Lautsprechermembran.“ Die Siliziummembran wird durch den piezoelektrischen MEMS-Aktor nach oben und unten gedrückt, wodurch Luftdruck erzeugt wird, der die Membran bewegt und Geräusche erzeugt. „Für diese erste Implementierung von Montara haben wir im Grunde ein Array aus sechs Zellen erstellt, und diese sechs Zellen bewegen sich gemeinsam, um das Tonsignal zu erzeugen.“

Warum MEMS?

Voice-Coil-Technologie gibt es seit einem Jahrhundert und sie scheint gut zu funktionieren, sagte Housholder. Mehrkomponenten-Schwingspulenlautsprecher erfordern jedoch arbeitsintensive Fertigungsstraßen mit hoher Variabilität. Da Schwingspulenlautsprecher halbautomatisch sind, „werden Sie in jeder Lautsprecherfabrik Hunderte oder Tausende von Arbeitern sehen, die Schwingspulenlautsprecher manuell um Magnete wickeln und Kunststoff- oder Papiermembranen montieren. Und immer wenn Menschen involviert sind, gibt es Variabilität.“ Bei der Herstellung von Ohrhörern, fuhr er fort, "müssen die Arbeiter einen Kalibrierungs- und Anpassungsprozess für die Lautsprecher durchlaufen, um sicherzustellen, dass der Klang des linken und des rechten Lautsprechers ungefähr gleich ist." Dieser Kalibrierungsschritt kostet unweigerlich Zeit und Geld.

Was xMEMS auf den Tisch bringen möchte, ist ein Lautsprecher mit voller Bandbreite mit „den Vorteilen eines vollständigen Halbleiterprozesses:Einheitlichkeit, Wiederholbarkeit und Konsistenz“, sagte Housholder. „Wir haben ein sehr enges Schutzband, bei dem jeder Lautsprecher dem anderen sehr ähnlich ist, sodass wir einen Kalibrierungs- und Testschritt an der Montagelinie der Ohrhörer vermeiden können.“

Darüber hinaus sind piezoelektrische Materialien staub- und wasserabweisend, „das macht es sehr einfach, einen wasserdichten, staubdichten Lautsprecher ohne spezielle Beschichtung oder wasserdichtes Netz herzustellen.“ Grundsätzlich ist der Chip, wie er aus der Fab kommt, IP-57.

Montara-Lautsprecher von xMEMS

Heutzutage hat jeder Lautsprecher auf dem Markt eine Resonanzfrequenz im hörbaren Frequenzbereich, aber diese Resonanz erzeugt ein unnatürliches Klangprofil, das während der Herstellung und des Designs des Lautsprechers und des Ohrhörers gehandhabt werden muss, erklärte Housholder. Bei Schwingspulenlautsprechern „müssen Sie entweder die Resonanz dämpfen oder eine Art Filterung entwerfen“. Die Resonanzfrequenz von Montara liegt "nördlich des hörbaren Frequenzbereichs (20 kHz), sodass für unseren Lautsprecher keine besondere Dämpfung, Filterung oder Anpassung erforderlich ist."

Und während die meisten Lautsprecher entweder an das Ohrhörergehäuse geklebt oder auf eine Unterbaugruppe geklebt werden, kann Montara wie jede andere Halbleiterkomponente geklebt, an einer Unterbaugruppe befestigt oder auf eine Leiterplatte gelötet werden.

Tonqualität zuerst

Der Medienkonsum ist überall und jederzeit zur Routine geworden, und die Verbraucher verlangen zunehmend nach verbesserter Audioqualität. Laut dem Marktforschungsunternehmen Canalys werden die weltweiten Auslieferungen von Smart Devices im Jahr 2023 die Marke von 3 Milliarden überschreiten, wobei die Kategorie Smart Personal Audio am schnellsten wächst. 2020 soll die Zahl der intelligenten persönlichen Audiogeräte gegenüber dem Vorjahr um 32,1 % auf 490 Millionen steigen.

xMEMS wird sich im schnell wachsenden Markt der Nahfeldlautsprecher positionieren und seine beiden ersten Produktsegmente TWS und In-Ear-Monitore sein. „Wir müssen einen gleichwertigen oder besseren Klang wie die Schwingspule erzeugen, um wirklich für neue Designs in Betracht gezogen zu werden“, sagte Housholder. „Das Einzigartige an piezoelektrischen MEMS-Lautsprechern besteht darin, dass Ihre herkömmlichen Schwingspulenlautsprecher bei höheren Frequenzen ein- und ausfallen.“ Mit piezoelektrischen MEMS „gewinnen Sie mehr SPL“. Es ermöglicht OEMs auch, das Klangprofil zu formen, da es „keine Artefakte in den Klang einführt, wenn Sie ihn filtern, um entweder einen hellen oder einen warmen Klang zu formen.“

Das kalifornische Startup skizzierte auch die Möglichkeit, zwei bis vier Balanced Armatures durch eine einzige Montara zu ersetzen. Und „da unser Lautsprecher monolithisch ist, ganz aus Silizium, haben wir eine schnelle mechanische Reaktionszeit. Wo sich das am meisten auszahlt, ist die aktive Geräuschunterdrückung.“

Obwohl Housholder den Preis nicht bekanntgab, sagte das Unternehmen, dass das Unternehmen Montara mit serienmäßigen High-End-Lösungen verglichen hat. „Wir werden mit den heutigen Balanced-Armature-Lautsprechern wettbewerbsfähig sein und sind der Meinung, dass wir neue Vorteile zum gleichen Preis auf den Tisch bringen.“

Auf der Roadmap

Verschiedene Konfigurationen von Montara könnten entwickelt werden, um einen niedrigeren Preis zu erreichen, sagte Housholder. „Wir suchen eine Zwei-mal-Zwei-Zellen-Konfiguration mit vier Lautsprecherzellen, um einen niedrigeren Preis zu erzielen und uns in die Mittelklasse des Marktes zu bringen.“ Da Kopfhörer eine größere Schale haben, die über das Ohr geht, versucht xMEMS, auch die Anzahl der Zellen zu erhöhen, um einen größeren Klang zu erzeugen.

Die Roadmap des Startups geht über das Hörbare hinaus, da „es einen großen Markt für Nicht-Nahfeld-Audio, für Freiraum-Audiolautsprecher im Freien gibt“, sagte Housholder. Lautsprecher berühren Smartphones, Smart Speaker, Home-Entertainment-Soundbars, Fernseher und Automobile, wo er die Möglichkeit sieht, Lautsprecher deutlich zu entlasten. „Wir schauen uns verschiedene Architekturen an, um uns der Vielfalt des Lautsprechermarktes zu nähern.“

Im Juli sammelte xMEMS etwas mehr als 11 Millionen US-Dollar. Es hat eine Niederlassung in ZhuBei, Taiwan und beschäftigt 26 Mitarbeiter.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times.