Pembicara MEMS Seluruh Silikon: Desain Monolitik yang Merevolusi Teknologi Audio

Mikrofon elektret kondensor tradisional selama waktu yang lama menjadi mikrofon yang paling banyak digunakan, tetapi mikrofon MEMS (sistem mikro-elektromekanikal) semakin menggantikan mereka. Pemutar tali suara telah lama menjadi pemutar yang paling banyak digunakan, tetapi apakah pemutar MEMS akan menggantikan mereka? Startup xMEMS, Inc. yang bermarkas di Santa Clara bertujuan untuk mengubah permainan dan meledakkan pemutar tali suara dan pemutar hybrid-MEMS dengan mengimplementasikan seluruh pemutar MEMS — aktuator dan membrane — dalam silikon.

Tried and true?

Didirikan pada Oktober 2017, xMEMS keluar dari mode stealth dengan memperkenalkan apa yang dikatakannya adalah pemutar MEMS monolitik pertama, yang menyediakan suara fidelitas tinggi, bandwidth penuh, dan distorsi harmonik rendah untuk perangkat audio pribadi pintar seperti true wireless stereo (TWS) earbud, in-ear monitors, dan headphones. Disebut Montara, pemutar MEMS telah dilakukan sampling kepada pelanggan terpilih sejak April. Sampel engineering kini dirilis ke lebih banyak OEM dan produsen, pesanan risiko diperkirakan dimulai pada akhir tahun ini, dan produksi massal dijadwalkan pada April 2021.

xMEMS’ Mike Housholder

Jika Montara adalah pemutar MEMS “benar” pertama, apakah itu berarti ada pemutar MEMS “palsu”? Jawabnya tidak, tetapi xMEMS tidak main-main dengan pilihan kata. Mengganti hanya satu komponen dari pemutar dengan MEMS tidak cukup untuk membuatnya menjadi pemutar MEMS. Montara adalah “pemutar MEMS monolitik, satu-die, seluruh silikon pertama, jadi ia keluar dari pabrik sebagai pemutar yang sepenuhnya fungsional,” kata Mike Housholder, VP pemasaran dan pengembangan bisnis di xMEMS, kepada EE Times. “Tidak ada proses dan tahap pemasangan tambahan selain pengemasan tradisional semiconductor.”

Montara memiliki arsitektur berbasis sel, dan setiap persegi adalah pemutar individual. “Ia memiliki aktuator MEMS piezoelektrik dan, di atasnya, ada membrane pemutar yang dietch dari silikon.” Membran silikon didorong naik dan turun oleh aktuator MEMS piezoelektrik, menghasilkan tekanan udara, yang memindahkan membrane dan menciptakan suara. “Kami telah menciptakan array enam sel untuk implementasi pertama Montara ini, dan enam sel itu bergerak bersama untuk menghasilkan sinyal suara.”

Mengapa MEMS?

Teknologi tali suara telah ada selama satu abad, dan sepertinya bekerja baik, kata Housholder. Namun, pemutar tali suara multi-komponen memerlukan baris pabrik yang intensif tenaga kerja dan variabilitas tinggi. Karena pemutar tali suara semi-otomatis, “Anda akan melihat di setiap pabrik pemutar ratusan atau ribuan pekerja yang secara manual membungkus tali suara pemutar di sekitar magnet, memasang membrane plastik atau kertas. Dan setiap kali manusia terlibat, Anda akan memiliki variabilitas.” Saat memproduksi earbud, lanjutnya, “pekerja harus melalui proses kalibrasi dan pencocokan untuk pemutar untuk memastikan suara pemutar kiri dan kanan kira-kira sama.” Langkah kalibrasi ini secara tak terhindarkan memakan waktu dan uang.

Apa yang xMEMS bawa ke meja adalah pemutar bandwidth penuh dengan “manfaat proses semiconductor lengkap: keseragaman, ketidakberulangan, dan konsistensi,” kata Housholder. “Kami memiliki batas pengaman yang sangat ketat, di mana setiap pemutar berperforma sangat mirip satu sama lain sehingga kami dapat menghilangkan langkah kalibrasi dan pengujian pada baris perakitan earbud.”

Selain itu, bahan piezoelektrik tahan debu dan air, “jadi sangat mudah untuk membuat pemutar tahan air dan tahan debu, tanpa lapisan pelindung khusus atau jaring tahan air.” Pada dasarnya, chip seolah-olah keluar dari pabrik berrating IP-57.

Pemutar Montara xMEMS

Saat ini, setiap pemutar di pasaran memiliki frekuensi resonansi dalam rentang frekuensi yang dapat didengar, tetapi resonansi itu menciptakan profil suara yang tidak alami yang perlu ditangani selama manufaktur dan desain pemutar dan earbud, Housholder menjelaskan. Dengan pemutar tali suara, “Anda harus mengedem resonansi atau merancang jenis filter apa pun.” Frekuensi resonansi Montara adalah “di luar rentang frekuensi yang dapat didengar (20 khz), jadi tidak perlu demping, filter, atau akomodasi khusus untuk pemutar kami.”

Dan sementara sebagian besar pemutar dilekatkan pada casing earbud atau diletakkan pada sub-assembly, Housholder katanya Montara dapat dilekatkan, dipasang pada sub-assembly atau disolder pada papan sirkuit cetak, seperti komponen semiconductor lainnya.

Kualitas suara terlebih dahulu

Konsumsi media telah menjadi rutinitas di mana saja dan kapan saja, dan konsumen semakin menuntut kualitas audio yang ditingkatkan. Menurut perusahaan riset pasar Canalys, pengiriman perangkat pintar di seluruh dunia akan melebihi 3 miliar pada 2023 dengan kategori audio pribadi pintar tumbuh paling cepat. Pada 2020, perangkat audio pribadi pintar diperkirakan tumbuh sebesar 32,1% tahun demi tahun, menjadi 490 juta unit.

xMEMS akan memosisikan diri di pasar pemutar audio near-field yang tumbuh cepat, dan dua segmen produk pertamanya akan menjadi TWS dan in-ear monitors. “Kami harus menghasilkan suara yang setara atau lebih baik dari tali suara untuk benar-benar dipertimbangkan untuk desain baru,” kata Housholder. “Yang unik tentang pemutar MEMS piezoelektrik adalah di mana pemutar tali suara tradisional Anda menurun dan jatuh pada frekuensi yang lebih tinggi.” Dengan pemutar MEMS piezoelektrik, “Anda mendapatkan lebih banyak SPL.” Ini juga memungkinkan OEM untuk membentuk profil suara, karena ia “tidak memperkenalkan artefak apa pun ke dalam suara jika Anda memfilternya untuk membentuk suara yang cerah atau hangat.”

Startup California ini juga mencakup kemampuan untuk mengganti dua hingga empat balanced armatures dengan satu Montara. Dan “karena pemutar kami adalah monolitik, seluruhnya dalam silikon, kami memiliki waktu respons mekanik yang cepat. Di mana itu akan memberikan dividen terbesar adalah dalam pembatalan kebisingan aktif.”

Meskipun tidak merilis harga, Housholder katanya perusahaan telah melakukan benchmarking Montara dengan solusi high-end off-the-shelf. “Kami akan bersaing dengan pemutar balanced armature saat ini, dan kami merasa kami membawa manfaat baru ke meja untuk harga yang setara.”

Pada peta jalan

Konfigurasi berbeda dari Montara dapat dikembangkan untuk menargetkan titik harga yang lebih rendah, kata Housholder. “Kami sedang melihat konfigurasi sel dua-dua dengan empat sel pemutar untuk mencapai harga yang lebih rendah dan memasuki segmen menengah pasar.” Karena headphones memiliki cangkir yang lebih besar yang melingkupi telinga, xMEMS katanya juga sedang mempertimbangkan untuk menambahkan jumlah sel untuk menghasilkan suara yang lebih besar.

Peta jalan startup ini melewati hearables, karena “ada pasar yang besar untuk audio non-near-field, untuk ruang terbuka, ruang bebas, pelucah suara,” kata Housholder. Pelucah suara menyentuh smartphone, smart speaker, soundbar hiburan rumah, TV, dan otomotif, di mana ia melihat peluang untuk mengurangi bobot yang signifikan dari pelucah suara. “Kami sedang melihat arsitektur berbeda untuk mendekati berbagai pasar pelucah suara yang ada.”

Pada Juli, xMEMS mengumpulkan sedikit lebih dari $11 juta. Ia memiliki kantor cabang di ZhuBei, Taiwan, dan employs 26 orang.

>> Artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EE Times.