All-Silicon MEMS Speaker: Monolithisches Design revolutioniert Audio-Technologie

Traditionelle Elektret-Kondensator-Mikrofone blieben lange die meistgenutzten Mikrofone, aber Micro-Electromechanical Systems (MEMS) Mikrofone verdrängen sie zunehmend. Voice-Coil Speaker blieben lange die meistgenutzten Speaker, aber werden MEMS Speaker sie je verdrängen? Das in Santa Clara ansässige Startup xMEMS, Inc. will das Spiel ändern und Voice-Coil und Hybrid-MEMS Speaker eclipsen, indem es den gesamten MEMS Speaker – Aktuator und Membran – in Silizium implementiert.

Bewährt und wahr?

Gegründet Oktober 2017, tritt xMEMS aus dem Stealth Mode mit der Einführung dessen, was es als ersten monolithischen True MEMS Speaker beansprucht, der High Fidelity, Full-Bandwidth Sound und Low Harmonic Distortion für Smart Personal Audio Devices wie True Wireless Stereo (TWS) Earbuds, In-Ear Monitors und Kopfhörer liefert. Getauft Montara, wurde der MEMS Speaker seit April an ausgewählte Kunden gesampelt. Engineering Samples sind nun an mehr OEMs und Hersteller released, Risk Orders erwartet Ende dieses Jahres, Massenproduktion geplant für April 2021.

xMEMS' Mike Housholder

Wenn Montara der erste „true“ MEMS Speaker ist, bedeutet das, es gibt „false“ MEMS Speaker? Die Antwort ist nein, aber xMEMS spielt nicht mit Wortwahl. Ersetzen nur einer Komponente eines Speakers mit MEMS reicht nicht, um es zum MEMS Speaker zu machen. Montara ist „der erste monolithische, Single-Die, All-Silicon Speaker, der aus der Fab als voll funktionsfähiger Speaker kommt“, sagte Mike Housholder, VP Marketing und Business Development bei xMEMS, gegenüber EE Times. „Es gibt keinen zusätzlichen Prozess und Assembly Schritt außer traditionellem Semiconductor Packaging.“

Montara hat eine Zell-basierte Architektur, und jedes Quadrat ist ein individueller Speaker. „Es hat einen piezoelektrischen MEMS Aktuator und oben drauf eine Speaker Membran, geätzt aus Silizium.“ Die Siliziummembran wird vom piezoelektrischen MEMS Aktuator auf und ab bewegt, erzeugt Luftdruck, der die Membran bewegt und Sound erzeugt. „Wir haben im Grunde ein Array von sechs Zellen für diese erste Implementation von Montara erstellt, und diese sechs Zellen bewegen sich in Konzert, um das Sound Signal zu generieren.“

Warum MEMS?

Voice-Coil Technologie existiert seit einem Jahrhundert und scheint gut zu funktionieren, sagte Housholder. Multi-Komponenten Voice-Coil Speaker erfordern jedoch labor-intensive, High-Variability Factory Assembly Lines. Da Voice-Coil Speaker semi-automatisiert sind, „werden Sie in jeder Speaker Fabrik hunderte oder tausende Arbeiter sehen, die manuell Voice-Coil Speaker um Magnete wickeln, Plastik- oder Papiermembranen montieren. Und wann immer Menschen involviert sind, haben Sie Variabilität.“ Bei Earbuds-Fertigung, fuhr er fort, „müssen Arbeiter durch Kalibrierungs- und Matching-Prozess für die Speaker gehen, um sicherzustellen, dass linker und rechter Speaker Sound roughly gleich klingen.“ Dieser Kalibrierungsschritt kostet unvermeidlich Zeit und Geld.

Was xMEMS auf den Tisch bringt, ist ein Full Bandwidth Speaker mit „den Vorteilen eines Full Semiconductor Process: Uniformität, Repeatability und Konsistenz“, sagte Housholder. „Wir haben ein sehr enges Guard Band, wo jeder Speaker sehr ähnlich zum anderen performt, sodass wir Kalibrierungs- und Testschritt auf der Earbud Assembly Line eliminieren können.“

Darüber hinaus sind piezoelektrische Materialien Staub und Wasser resistent, „so macht es sehr einfach, einen wasserdichten, staubdichten Speaker zu machen, ohne spezielles Coating oder wasserdichtes Mesh.“ Basically, der Chip wie er aus der Fab kommt, ist IP-57.

xMEMS' Montara Speaker

Heute hat jeder Speaker am Markt eine Resonanzfrequenz im hörbaren Frequenzbereich, aber diese Resonanz kreiert unnatürliches Sound Profil, das während Manufacturing und Design des Speakers und Earbuds gehandhabt werden muss, erklärte Housholder. Mit Voice-Coil Speakern „musst du entweder die Resonanz dämpfen oder irgendein Filtering designen.“ Montaras Resonanzfrequenz ist „north of the audible frequency range (20 kHz), so gibt es kein spezielles Dämpfen, Filtering oder Accommodation, das für unseren Speaker gemacht werden muss.“

Und während die meisten Speaker entweder an das Earbud Housing geklebt sind oder auf irgendeiner Sub-Assembly sitzen, sagte Housholder, Montara kann geklebt, an Sub-Assembly attached oder auf einem Printed Circuit Board verlötet werden, wie jedes andere Semiconductor Component.

Sound Quality First

Media Konsum ist zur Anywhere, Anytime Routine geworden, und Consumer fordern zunehmend Enhanced Audio Quality. Laut Market Research Firm Canalys werden Worldwide Smart Device Shipments 2023 3 Milliarden überschreiten, mit Smart Personal Audio Kategorie am schnellsten wachsend. 2020 werden Smart Personal Audio Devices erwartet, um 32,1% Year-over-Year zu wachsen, auf 490 Millionen Units.

xMEMS wird sich im schnell wachsenden Markt Near-Field Audio Speaker positionieren, und seine ersten zwei Produktsegmente werden TWS und In-Ear Monitors sein. „Wir müssen equal oder better Sound zu Voice Coil produzieren, um wirklich für neue Designs considered zu werden“, sagte Housholder. „Was einzigartig an Piezoelectric MEMS Speakern ist, wo deine traditionellen Voice-Coil Speaker bei höheren Frequenzen dippen und abfallen.“ Mit Piezoelectric MEMS „gewinnst du mehr SPL.“ Es erlaubt OEMs auch, das Sound Profil zu formen, weil es „keine Artifacts in den Sound introduced, wenn du es filterst, um entweder Bright Sound oder Warm Sound zu shapen.“

Das Kalifornische Startup umriss auch die Fähigkeit, zwei bis vier Balanced Armatures mit einem einzelnen Montara zu ersetzen. Und „weil unser Speaker monolithisch ist, all in Silicon, haben wir schnelle mechanische Response Time. Wo das die größten Dividenden zahlt, ist in Active Noise Cancellation.“

Obwohl nicht den Preis releasend, sagte Housholder, die Company hat Montara mit Off-the-Shelf High-End Solutions gebenchmarked. „Wir werden wettbewerbsfähig mit heutigen Balanced Armature Speakern sein, und wir fühlen, wir bringen neue Benefits für gleichen Preis.“

Auf dem Roadmap

Verschiedene Konfigurationen von Montara könnten entwickelt werden, um niedrigeren Price Point zu addressen, sagte Housholder. „Wir schauen auf Two-by-Two Cell Configuration mit vier Speaker Cells, um niedrigeren Preis zu hitten und uns in Mid-Range des Markts zu bringen.“ Da Kopfhörer größere Cups haben, die über das Ohr gehen, sagte xMEMS, es schaut auch auf Erhöhung der Zellanzahl, um größeren Sound zu generieren.

Der Startup Roadmap geht über Hearables hinaus, da „es großen Markt für Non-Near-Field Audio gibt, für Open Space, Free Space Audio Loudspeaker“, sagte Housholder. Loudspeaker berühren Smartphones, Smart Speaker, Home Entertainment Soundbars, TVs und Automotive, wo er Opportunity sieht, signifikantes Gewicht von Loudspeakern zu nehmen. „Wir schauen auf verschiedene Architekturen, um die Vielfalt des Loudspeaker Markets da draußen anzugehen.“

Im Juli hat xMEMS etwas mehr als 11 Millionen $ aufgebracht. Es hat ein Branch Office in ZhuBei, Taiwan, und employiert 26 Leute.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE Times veröffentlicht.