關于MEMS麥克風的新應用領域預測

近年來，基于MEMS技術的傳聲器得到了廣泛的應用?？s小尺寸和聲學特性的改進帶來了一些應用程序，這些應用程序允許我們與智能手機視頻和FaceTime共享信息和體驗。智能手表可以用來打語音電話。我們與數(shù)字助理交流，讓我們的智能音箱播放我們最喜歡的歌曲，或通過語音控制智能家電。此外，MEMS麥克風可用于在長途飛行或聽音樂時主動消除噪音。理論上講，這很簡單:麥克風將聲壓波轉(zhuǎn)換成電子信號。實際上，麥克風提供不同級別的性能，幾個參數(shù)是決定專用功能和應用程序性能的關鍵。當今尖端設備的潛力可能會受到所提供音頻原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的嚴重限制。

用虛擬現(xiàn)實創(chuàng)造一個真正的沉浸式體驗

想象一下，戴上虛擬現(xiàn)實眼鏡，發(fā)現(xiàn)自己身處太平洋上一個陽光明媚的島嶼上。你在一個美麗的海灘上，欣賞著風景，走在棕櫚樹之間，聽著海浪的聲音。五顏六色的鸚鵡在你頭頂上尖叫。如今，創(chuàng)造360°視頻體驗所需的硬件已經(jīng)出現(xiàn)了，而且越來越受歡迎(圖2)。然而，輕松創(chuàng)造附帶的360°音頻的能力卻落后了。波蘭錄音技術開發(fā)商Zylia使用領先的69分貝SNR數(shù)字MEMS麥克風，使世界上第一個便攜式錄音室成為可能。三階Ambisonics音頻記錄器Zylia ZM-1麥克風陣列可以為虛擬和增強現(xiàn)實(VR/AR)捕捉沉浸式3D音頻(圖1)。通過使用多個設備，甚至可以錄制六自由度的聲音。為了讓虛擬現(xiàn)實成為一種真正的沉浸式體驗，MEMS麥克風的高保真音頻拾取與Zylia先進的數(shù)字信號處理算法和麥克風陣列技術相結合是關鍵。沒有錯過任何音頻細節(jié)要求麥克風接近工作室麥克風質(zhì)量。MEMS麥克風不僅可以提供這種性能，而且有助于進一步小型化360°錄音設備。

圖1 Zylia三階Ambisonics錄音設備

放大或減弱周圍的聲音

一些耳機已經(jīng)被設計為最佳的360°音頻收聽。使用VR/AR goggles，用戶可以將他們的環(huán)境轉(zhuǎn)換成交互式的視聽音景，并捕捉、觸摸和塑造聲音。通過在耳機中集成高級麥克風，周圍的聲音可以減弱或放大。主動降噪確保用戶只聽到他最喜歡的節(jié)拍，沒有飛機噪音，睡個舒服覺。透明聽覺模式已經(jīng)開發(fā)出來，用戶可以選擇有多少外部聲音環(huán)境，通過高級麥克風捕獲，融入增強音頻體驗。這款耳機通過復制具有難以置信的真實感的空間效果來補充增強現(xiàn)實體驗，幫助用戶精確地感知和定位虛擬聲音。通過將適當水平的外部聲學環(huán)境與特定的虛擬音頻世界相結合，我們便能夠創(chuàng)造出真正沉浸式的社交體驗。這些耳機可以排除分散注意力的外部噪音，這樣聽者就可以不受干擾地專注于感興趣的音頻內(nèi)容。將主動噪聲消除與主動語音增強相結合，意味著即使在嘈雜的環(huán)境中，也能聽到對話中的每個詞。

未來的通信系統(tǒng)

先進的音頻功能減少了朋友和同事之間的感知距離。世界各地的團隊都開始使用先進的視頻會議系統(tǒng)來提高通信質(zhì)量。為了提高這些設備的性能，高級MEMS麥克風越來越多地與高級音頻處理相結合，如盲源分離或波束形成(圖2)。今天的視頻會議系統(tǒng)是完全集成的單元，包括編解碼器、顯示器、攝像機麥克風和揚聲器。適用于公司的方法可能很快也會改變?nèi)藗兊纳鐣?。例如，F(xiàn)acebook就利用這些技術來加強朋友和家人之間的交流。在未來，設備還將包括虛擬和增強音頻和視頻功能。下一代的MEMS麥克風將成為智能手機等小型設備的高級通信功能的關鍵。

圖2 今天的視頻會議系統(tǒng)是完全集成的單元，包括編解碼器、顯示器、攝像機麥克風和揚聲器

強大的音頻和視頻體驗與智能手機

以前需要一個笨重的攝像機，現(xiàn)在可以用一個手掌大小的設備來拍攝。智能手機拍攝的視頻把我們都變成了講故事的人，讓我們有機會不僅與家人和朋友，而且通過社交媒體與數(shù)百萬觀眾分享我們的經(jīng)歷。

雖然智能手機的視頻錄制已經(jīng)取得了顯著的進步，提供了慢動作或延時等功能，但音頻捕捉還沒有發(fā)展到同樣的程度。即使是最先進的智能手機仍然只能捕捉單聲道音頻，只有少量的立體聲支持。難怪智能手機發(fā)出的聲音很差、平淡、乏味——與優(yōu)越的視覺效果不匹配。但變化正在發(fā)生:高級MEMS麥克風和先進的音頻處理將智能手機音頻錄制帶到一個新的水平。特殊的錄音選項允許智能手機用戶將聲音放大到任何他們選擇聚焦的方向。音頻縮放提供了錄制用戶想要聽到的和抑制其他聲音的選項。

下一代語音用戶界面

語音命令和與數(shù)字語音助手的對話正變得越來越流行。不幸的是，它們?nèi)匀唤?jīng)常需要異常響亮的聲音指令，甚至是在遠處喊叫。語音識別公司正在為下一代語音用戶界面改進處理器和算法。在最新版本中，Alexa現(xiàn)在可以識別出你在低聲說話，并低聲回答你，以免在晚上打擾你睡覺的家人。不久之后，人們就可以通過語音命令來關閉不同房間的燈或電視。優(yōu)質(zhì)的MEMS麥克風和尖端的音頻處理技術是使聲控設備真正為日常情況做好準備的關鍵因素。

基本技術

MEMS傳聲器采用半導體生產(chǎn)工藝大批量制造。典型的設計結合了MEMS傳感器和ASIC。該傳感器產(chǎn)生一個電信號，為模擬麥克風放大或由ADC處理的數(shù)字麥克風在ASIC。MEMS麥克風，它將音頻轉(zhuǎn)換成電信號，基本上是一個直流偏置電容，在其中一個膜(或膜片)的運動引起的音頻壓力改變電容器板或板的電壓。

膜片和后板的行為就像一個平行板電容器。當膜片由于傳入聲壓而振動時，膜片與后板之間的間隙和電容發(fā)生變化。MEMS麥克風將這些變化提取為電信號。處理巨大聲音的壓力水平的主要挑戰(zhàn)是膜的巨大機械運動，這將導致變形時，膜的位移到它的極端。第二個挑戰(zhàn)是設計ASIC來處理MEMS元件產(chǎn)生的大信號。由于音頻處理算法假設為線性信號，任何超過1%的失真都會導致高級音頻處理所依賴的音頻質(zhì)量顯著下降。一種方法是實現(xiàn)一個MEMS傳感器元件，將移動膜放置在兩個電容器板(雙后板)之間。這產(chǎn)生了一個全差分輸出(與單端輸出相比)，這有幾個優(yōu)點。雙后板MEMS傳聲器由于其對稱結構而使失真最小化。移動夾在電容器板上的兩層膜(雙膜)也可以達到同樣的效果。

下一代高端MEMS麥克風:密封雙膜

與單個后板的MEMS麥克風相比，雙后板技術的引入使線性參數(shù)顯著增加。下一步是帶有密封雙膜的電容式MEMS麥克風。電容區(qū)域的密封實際上可以實現(xiàn)無噪聲音頻信號捕獲。信噪比從70 dB進一步提高到75 dB。2018年的第一個原型機已經(jīng)在4.0 × 3.0 × 1.2 mm的封裝中實現(xiàn)了75 db的信噪比。新一代的第一個設備已經(jīng)被用來演示上面討論的高級音頻功能。工程樣品已經(jīng)為該領域的領先客戶提供了先進的音頻記錄、主動噪聲消除、通信和語音用戶界面。