Haut‑parleur MEMS tout‑silicium : Design monolithique révolutionnant technologie audio

Les microphones à condensateur électret traditionnels sont longtemps restés les microphones les plus utilisés, mais les microphones à systèmes micro‑électromécaniques (MEMS) les déplacent de plus en plus. Les haut‑parleurs à bobine mobile sont longtemps restés les haut‑parleurs les plus utilisés, mais les haut‑parleurs MEMS les déplaceront‑ils un jour ? La startup de Santa Clara xMEMS, Inc., vise à changer la donne et éclipser haut‑parleurs à bobine mobile et hybrides MEMS en implémentant le haut‑parleur MEMS entier — actionneur et membrane — en silicium.

Éprouvé et vrai ?

Fondée en octobre 2017, xMEMS émerge du mode furtif avec l'introduction de ce qu'elle revendique comme le premier haut‑parleur MEMS monolithique vrai, délivrant haute fidélité, son pleine bande passante, et faible distorsion harmonique pour dispositifs audio personnels intelligents comme écouteurs true wireless stereo (TWS), moniteurs intra‑auriculaires et casques. Baptisé Montara, le haut‑parleur MEMS a été échantillonné à des clients sélectionnés depuis avril. Échantillons d'ingénierie sont maintenant diffusés à plus d'OEMs et fabricants, commandes à risque attendues fin de cette année, et production de masse planifiée pour avril 2021.

Mike Housholder de xMEMS

Si Montara est le premier haut‑parleur MEMS « vrai », cela veut‑il dire qu'il y a des haut‑parleurs MEMS « faux » ? La réponse est non, mais xMEMS ne plaisante pas avec le choix des mots. Remplacer seulement un composant d'un haut‑parleur par du MEMS ne suffit pas pour en faire un haut‑parleur MEMS. Montara est « le premier haut‑parleur monolithique, single‑die, tout‑silicium, donc il sort de la fab comme haut‑parleur entièrement fonctionnel », a dit Mike Housholder, VP marketing et développement business chez xMEMS, à EE Times. « Il n'y a pas d'étape additionnelle de processus et assemblage autre que l'emballage semi‑conducteur traditionnel. »

Montara a une architecture cellulaire, et chaque carré est un haut‑parleur individuel. « Il a un actionneur MEMS piézoélectrique et, au‑dessus, une membrane de haut‑parleur gravée dans le silicium. » La membrane silicium est poussée haut et bas par l'actionneur MEMS piézoélectrique, générant pression air, qui bouge la membrane et crée le son. « Nous avons essentiellement créé un array de six cellules pour cette première implémentation de Montara, et ces six cellules bougent de concert pour générer le signal sonore. »

Pourquoi MEMS ?

La technologie bobine mobile existe depuis un siècle, et semble bien fonctionner, a dit Housholder. Les haut‑parleurs bobine mobile multi‑composants, cependant, requièrent lignes d'assemblage usine intensives en main‑d'œuvre, haute variabilité. Parce que les haut‑parleurs bobine mobile sont semi‑automatisés, « vous verrez dans toute usine de haut‑parleurs des centaines ou milliers de travailleurs enroulant manuellement bobines autour d'aimants, montant membranes plastique ou papier. Et n'importe quand des humains sont impliqués, vous avez variabilité. » Lors de fabrication d'écouteurs, a‑t‑il continué, « les travailleurs doivent passer par un processus d'étalonnage et appariement pour les haut‑parleurs pour s'assurer que le haut‑parleur gauche et droit sonnent roughly pareil. » Cette étape d'étalonnage prend inévitablement temps et argent.

Ce que xMEMS vise à apporter est un haut‑parleur pleine bande passante avec « les bénéfices d'un processus semi‑conducteur complet : uniformité, répétabilité et cohérence », a dit Housholder. « Nous avons une garde très serrée, où chaque haut‑parleur performe très similaire à l'autre donc nous pouvons éliminer une étape d'étalonnage et test sur ligne assemblage écouteurs. »

De plus, matériaux piézoélectriques sont résistants poussière et eau, « donc ça rend très facile de faire un haut‑parleur waterproof, dustproof, sans revêtement spécial ni mesh waterproof. » Fondamentalement, la puce telle qu'elle sort de la fab est IP‑57.

Haut‑parleur Montara de xMEMS

Aujourd'hui, chaque haut‑parleur sur le marché a une fréquence de résonance dans la plage audible, mais cette résonance crée un profil sonore non naturel qui doit être géré pendant fabrication et design du haut‑parleur et écouteur, a expliqué Housholder. Avec haut‑parleurs bobine mobile, « vous devez soit amortir la résonance soit designer un filtrage. » La fréquence de résonance de Montara est « au‑nord de la plage audible (20 kHz), donc il n'y a pas d'amortissement, filtrage, ou accommodation spéciale nécessaire pour notre haut‑parleur. »

Et tandis que la plupart des haut‑parleurs sont soit collés au boîtier écouteur soit mis sur sous‑assemblage, Housholder a dit que Montara peut être collé, attaché à sous‑assemblage, ou soudé sur circuit imprimé, comme n'importe quel autre composant semi‑conducteur.

Qualité son d'abord

La consommation média est devenue routine anywhere, anytime, et consommateurs demandent de plus en plus qualité audio améliorée. Selon cabinet études Canalys, expéditions mondiales dispositifs intelligents dépasseront 3 milliards en 2023 avec catégorie audio personnel intelligent croissant le plus vite. En 2020, dispositifs audio personnel intelligent devraient croître 32,1 % an‑sur‑an, à 490 millions unités.

xMEMS se positionnera sur le marché en croissance rapide haut‑parleurs near‑field audio, et ses deux premiers segments produits seront TWS et moniteurs intra‑auriculaires. « Nous devons produire un son égal ou meilleur que bobine mobile pour être vraiment considéré pour nouveaux designs », a dit Housholder. « Ce qui est unique avec haut‑parleurs MEMS piézoélectriques, c'est où vos haut‑parleurs bobine mobile traditionnels dip et chutent à hautes fréquences. » Avec MEMS piézoélectrique, « vous gagnez plus de SPL. » Cela permet aussi aux OEMs de façonner le profil sonore, car cela « n'introduit pas d'artéfacts dans le son si vous filtrez pour façonner son brillant ou chaud. »

La startup californienne a aussi décrit la capacité à remplacer deux à quatre armatures équilibrées par un seul Montara. Et « parce que notre haut‑parleur est monolithique, tout en silicium, nous avons temps réponse mécanique rapide. Où ça paiera les plus gros dividendes est en annulation active de bruit. »

Bien que ne dévoilant pas le prix, Housholder a dit que la compagnie a benchmarké Montara avec solutions haut de gamme off‑the‑shelf. « Nous serons compétitifs avec haut‑parleurs armature équilibrée d'aujourd'hui, et nous sentons que nous apportons nouveaux bénéfices pour prix égal. »

Sur la feuille de route

Différentes configurations de Montara pourraient être développées pour adresser un price point plus bas, a dit Housholder. « Nous regardons configuration deux‑par‑deux cellules avec quatre cellules haut‑parleur pour frapper prix plus bas et nous entrer dans le milieu de gamme. » Comme casques ont un godet plus grand qui va sur l'oreille, xMEMS a dit qu'il regarde aussi à augmenter nombre cellules pour générer son plus large.

La feuille de route de la startup va au‑delà hearables, car « il y a un grand marché pour audio non‑near‑field, pour espace ouvert, haut‑parleurs espace libre », a dit Housholder. Haut‑parleurs touchent smartphones, enceintes intelligentes, barres de son home entertainment, TVs, et automobile, où il voit opportunité d'enlever poids significatif des haut‑parleurs. « Nous regardons différentes architectures pour approcher variété du marché haut‑parleurs là dehors. »

En juillet, xMEMS a levé un peu plus de 11 millions $. Elle a un bureau succursale à ZhuBei, Taïwan, et emploie 26 personnes.

>> Cet article a été publié à l'origine sur notre site sœur, EE Times.