Beyond the Backplate: Optical MEMS Microphones Unlock High-fidelity Audio

Якість звуку має значення. Саме тому вражає той факт, що високоякісне відтворення звуку конденсаторних мікрофонів та електретних конденсаторних мікрофонів (ECM) досі домінують у електроакустичних характеристиках у широкому спектрі застосувань. Bell Labs започаткували обидва фундаментальні технології: конденсаторний мікрофон з’явився ще у 1916 році і був вперше комерціалізований Western Electric, тоді як Sony почала масове виробництво ECM у 1968 році. Попри багатство їхнього звучання, жоден із цих мікрофонів не є досконалим з багатьох причин: конденсаторні мікрофони великі та дорогі, а ECM не сумісні з повторним паянням за технологією reflow і зазвичай мають погану відповідність компонентів з кроком до кроку. Це робить ці мікрофони недоступними для смартфонів та інших високорозмірних споживчих застосувань, які залежать від процесів поверхневого монтажу (SMT).  

Першими в комерційному виробництві стали конденсаторні MEMS-мікрофони, які були запроваджені Knowles у Motorola Razr на початку 2000-х; вони розв’язали багато недоліків ECM. Завдяки кращій сумісності з масовим виробництвом споживчої електроніки конденсаторні MEMS-мікрофони дійшли до того, що до 2010 року їх використали у смартфонах та ноутбуках з високим обсягом виробництва.

У контексті їхнього ринкового успіху попит на конденсаторні MEMS-мікрофони зріс, і, за даними групи Yole, очікується, що до 2030 року їх буде 9,2 мільярда одиниць. Хоча вони сумісні з технологією reflow та забезпечують щільне зузгодження чутливості між компонентами — все в малому корпусі — конденсаторні MEMS-мікрофони досягли меж технології: їхня внутрішня архітектура обмежує коефіцієнт сигнал/шум (SNR) та акустичну перевантажувальну точку (AOP), ключові елементи високоякісного аудіо.

Аудіо потребує наздогнати відео

Якість камер і відео в нових смартфонах вражає. iPhone 17 Pro Max має чотири камери, включаючи три основні камери з 48-мегапіксельними сенсорами, що відповідають за продуктивність найкращих автономних цифрових камер.

Якість відео в смартфонах також вражає: пристрої преміум-класу підтримують контент 8K.

Аудіоперформанс, з іншого боку, відстав від відео. Максимальний SNR у низькому 70dB діапазоні, а динамічний діапазон цифрових MEMS-мікрофонів нижче 110dB — найвищі з-поміж капсетних цифрових MEMS-мікрофонів не можуть задовольнити одночасні вимоги до низького шуму та високої перевантажувальної точки (AOP).

Найсучасніші капсетні MEMS-мікрофони складаються щонайменше з однієї мембрани (або діафрагми) і перфорованої задньої панелі з відстанню від мембрани в кілька мікрон. Через обмеження цієї архітектури, зокрема через малі розміри, надзвичайно складно зменшити шум і підвищити динамічний діапазон капсетних MEMS-мікрофонів.

Підтримка оптимального користувацького досвіду також потребує продуктивності на дуже високих рівнях звукового тиску (наприклад, у гучних середовищах або коли мікрофон близько до гучномовця або дуже шумного акустичного середовища). Ці умови вимагають широкого динамічного діапазону, який охоплює діапазон між шумовою підлогою та точкою, де вихід мікрофона сильно спотворюється — його AOP.

Низький SNR та AOP призводять до помітних проблем відтворення. Наприклад, запис музичного виступу дитини з мобільного телефону під час шкільного концерту може мати помітний внутрішній шум мікрофона під час відтворення. Записи у гучних середовищах, таких як міська вулиця або стадіон, можуть звучати сильно спотворено та клиповано. А у застосунках для конференцій відстань від мікрофона може зробити неможливим почути людей на дальньому кінці кімнати. Результуючий слабкий сигнал часто падає нижче рівня шуму самої капсетної мікрофонної системи, залишаючи їм відсутні резерви для компенсації.

Оптичні MEMS: наступний етап еволюції мікрофонних технологій

Оптичні MEMS — новий архітектурний підхід, який поєднує оптичну підсистему на основі вертикально-ін’єкційного лазера (VECSEL)-подібного оптичного підсистеми з мініатюризацією в електрооптичному пакуванні, поєднаний із MEMS-технологією та передовим дизайном CMOS-колекторів — руйнує межі капсетних технологій. З SNR 80 дБ, що підтримує шум на вході 14 дБА, динамічний діапазон 132 дБ та AOP 146 дБ, оптичні MEMS-мікрофони конкурують з високою точністю конденсаторних та ECM-мікрофонів, а в багатьох випадках перевершують їх. До того ж оптичні MEMS досягають цього багатого вхідного параметру у дуже компактному форм-факторі, що підтримує виходи з рівня напівпровідникового виробництва у великих масштабах.

Хоча основні джерела шуму в капсетних мікрофонах — це мала відстань між діафрагмою та задньою панеллю, а також опір тисяч малих отворів у задній панелі, в оптичному MEMS-мікрофоні немає шумових вкладень від руху повітря через малі отвори задньої панелі.

Натомість відстань між діафрагмою та дифракційним оптичним елементом (DOE) у оптичному MEMS-мікрофоні становить десятки мікрон, що в десятки разів перевищує відстань у капсетних мікрофонах. Це значно зменшує резистивний шум системи.

У той час як рух повітря через множинні отвори задньої панелі та опір зжиму між двома поверхнями є найбільш значущими джерелами шуму у традиційних капсетних мікрофонах, оптичний MEMS-мікрофон практично усуває ці джерела та досягає надзвичайно низького шуму.

Оскільки діафрагма в оптичному MEMS-пристрої може рухатися на десятки мікрон, механічний обмежувач AOP значно збільшується. Також немає ризику механічної адгезії (статичного тертя, що є відомим механізмом поломок у MEMS-пристроях), бо немає задньої панелі, яка могла б пристати до діафрагми.

З появою оптичних MEMS-мікрофонів стає очевидно, що аудіо тепер готове наздогнати відео в смартфонах, і ми можемо забезпечити студійну якість звуку у багатьох споживчих продуктах.