Пьезоэлектрические MEMS‑микрофоны корпорации Vesper Technologies

Пьезоэлектрические MEMS‑микрофоны корпорации Vesper Technologies

Выпуск 21 (6695) от 24 октября 2019 г.
РУБРИКА: МEMS/NEMS

Сегодня микрофоны есть практически везде, и область их применения расширяется с удивительной скоростью – ​благодаря растущему спросу на смартфоны, приборы Интернета вещей, носимую электронику, слуховые аппараты, гарнитуры виртуальной реальности и другую потребительскую электронику. Корпорация Vesper Technologies (г. Бостон, шт. Массачусетс, США), поставщик пьезоэлектрических MEMS-микрофонов, решила использовать эту возможность для увеличения продаж.

Корпорация Vesper Technologies впервые представила свою технологию распознавания речи с «нулевой» потребляемой мощностью – ​Zero Power Listening (ZPL) – ​в 2017 г. Технология основана на пьезоэлектрическом эффекте (впервые обнаруженном французскими физиками Полем-Жаком и Пьером Кюри) – ​благодаря ему акустический преобразователь работает в качестве акустического переключателя. При попадании звуковой волны на пьезоэлектрический кантилевер последний приходит в движение, которое за счет пьезоэлектрического эффекта создает разность потенциалов (электрическое напряжение). Напряжение воспринимается компаратором с очень малой потребляемой мощностью, посылающим сигнал возбуждения на остальные части системы.

Два года спустя технология ZPL была освоена крупными клиентами, такими как корпорации Samsung, Amazon и Bose. Ее популярность возросла, а корпорация Vesper Technologies достигла рубежей, которых изначально и не планировала достичь. Все это стало результатом сочетания нескольких факторов.


Рынок на подъеме

В смартфоне iPhone корпорации Apple используется четыре микрофона. В смарт-колонке Echo корпорации Amazon – ​семь микрофонов. Неудивительно, что современный рынок микрофонов устойчиво развивается. По данным исследовательской фирмы Yole Développement (г. Лион, Франция), общий рынок MEMS-микрофонов (потребительская, автомобильная, промышленная и военная электроника) составил около 1,1 млрд долл. в 2018 г. и, как ожидается, достигнет 1,5 млрд долл. в 2024-м. При этом среднегодовой рост продаж в сложных процентах (CAGR) за указанный период оставит 5%. По мнению специалистов Yole Développement, пьезоэлектрические технологии представляют собой одну из тенденций дальнейшего развития. В общей сложности продажи тонкопленочных пьезоэлектрических приборов в 2018 г. превысили 2,6 млрд долл., а в 2024 г. этот показатель вырастет до 6 млрд долл. Прогноз охватывает все типы пьезоэлектрических MEMS-приборов (см. таблицу). Пьезоэлектрические MEMS-микрофоны отличаются от традиционных емкостных микрофонов водонепроницаемостью, пыленепроницаемостью, ультранизкой потребляемой мощностью.


Таблица

Время выхода на рынок пьезо-MEMS

Тип изделий

Начальный момент доступности тонкопленочной технологии для коммерческой продукции, годы

Печатающие головки струйных принтеров

2007

MEMS-гироскопы

2008

Фильтры на объемных акустических волнах

2011

Микрофоны

2016

Микродинамики

2018

PMUT для съемки отпечатков пальцев

2019

PMUT для распознавания жестов

2019

Средства автофокусировки

2021

PMUT для УЗ-зондирования

2022

Микронасосы

2026

   

В целом пьезоэлектрическая технология набирает популярность и начинает омолаживать рынок MEMS, распространяясь на такие приборы, как микроакустические системы, пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи, изготовленные методом микрообработки (PMUT), средства автофокусировки и т. д.

На мировом рынке MEMS-микрофонов лидируют корпорации Knowles и Goertek, ожесточенно конкурирующие друг с другом за долю рынка. При этом корпорация Vesper Technologies, ставшая пионером в области пьезоэлектрических MEMS-микрофонов, до сих пор остается их единственным поставщиком.


На кону – ​долговечность и устойчивость

По прогнозам IHS Markit, глобальный рынок умных домов в период до 2023 г. расширится почти в пять раз и достигнет 192 млрд долл. С проникновением в этот сектор приборов, постоянно распознающих речь, возникает риск роста энергопотребления и неблагоприятного воздействия с точки зрения углеродного следа. Потребляемая мощность стандартной смарт-колонки в режиме ожидания – 2,9 Вт, что близко к показателю в активном режиме (3 Вт). В умном доме с десятком приборов (пульты дистанционного управления, динамики и колонки, домашние помощники и телевизоры) потребление электроэнергии увеличивается на 262 кВт/ч в год, что составляет 7,5% среднемирового потребления энергии домохозяйствами.

Пьезоэлектрические MEMS-микрофоны корпорации Vesper Technologies позволяют приборам с батарейным питанием оставаться в режиме «пробуждение-по-звуку» и хорошо подходят для потребительских приложений с малой потребляемой мощностью, постоянно готовых к распознаванию речи. Время автономной работы в таких приложениях имеет первостепенное значение, а в случае пьезоэлектрических MEMS-микрофонов оно может быть значительно увеличено. Например, при использовании традиционной микрофонной технологии активируемые голосом телевизионные пульты дистанционного управления работают без подзарядки или смены источников питания около четырех недель. Технология ZPL позволяет растянуть этот срок более чем до полугода и даже до года – иначе говоря, по сравнению с другими системами распознавания речи технология корпорации Vesper Technologies может продлить срок службы батареи микрофона в 5–20 раз.


Масштаб производства

Представители корпорации Vesper Technologies отмечают, что даже перспективной технологии требуются «захватчики рынка». Так, например, случилось с фирмой Knowles в 2003 г. – ​она интегрировала MEMS-микрофоны в сотовые телефоны Razr корпорации Motorola, что позволило улучшить функциональность, уменьшив толщину и размер микрофона, и резко поднять продажи данной модели. Примерно это же происходит и с корпорацией Vesper Technologies – ​в 2018 г. их продажи составили менее 1 млн шт., а в 2019-м, по оценкам, превысят 10 млн шт. Фактически 2019 г. станет первым годом массового производства ZPL-микрофонов. Заказы на них уже сделали такие крупные клиенты, как Samsung, Amazon и Bose. Чтобы обеспечить их выполнение, Vesper Technologies заключила контракты с производителями первого уровня, крупнейшими кремниевыми заводами GlobalFoundries и TSMC, а также поставщиком услуг сборки и тестирования корпорацией Unisem. Vesper Technologies активно продолжает рекламировать преимущества ZPL-технологии – ​в 2018 г. была продемонстрирована возможность поставлять реализованные с ее использованием приборы в больших объемах (при этом налаживание массового производства обычных MEMS всегда связано со значительными трудностями).

В июле 2019 г. корпорация представила свой первый цифровой пьезоэлектрический MEMS-микрофон VM 3000. Этот прибор потенциально может использоваться в больших матрицах для 3D-аудиозахвата (оцифровки аналогового сигнала). Учитывая, что голосовое взаимодействие становится все более популярным, Vesper Technologies может выйти со своим новым микрофоном на рынки смарт-телевизоров, пультов дистанционного управления и смарт-динамиков. Типичное отношение «сигнал–шум» прибора VM 3000 достигает 63 Дб на частоте 1 кГц, величина амплитуды акустического входного сигнала, при которой выходной сигнал системы изменяется на 3 дБ относительно линейного уровня звукового давления (acoustic overload point, AOP), составляет 122 Дб. В зрелой емкостной технологии для предотвращения снижения показателя «сигнал–шум» из-за капель воды или пыли на 3–5 Дб или более используется защитная сетка, при этом параметры защиты зависят от толщины сетки. Соответственно, в жестких условиях окружающей среды, где необходима робастность, VM 3000 на данный момент представляет собой оптимальный выбор.

До конца 2019 г. корпорация Vesper Technologies намерена представить еще два прибора на основе технологии ZPL.


Долгосрочный прогноз и планы развития

Перспективные планы Vesper Technologies основаны на трех пунктах. Во-первых, компания стремится стать ведущим поставщиком датчиков для микрофонов. Эта цель может быть достигнута только за счет использования базовых технологий MEMS, улучшения отношения «сигнал–шум» и уменьшения размеров изделий.

Во-вторых, Vesper Technologies планирует производить другие типы датчиков на основе того же производственного процесса, объединять микрофоны с акселерометрами и датчиками температуры. Цель Vesper Technologies – ​быстро превратиться из разработчика и поставщика микрофонов в разработчика и поставщика однокристальных решений, содержащих различные датчики.

В-третьих, Vesper Technologies хочет повысить степень интеллектуальности датчиков. Планируется на основе технологии Zero Power расширить возможности обработки сигналов. Например, добиться идентификации конкретных ключевых слов, активирующих систему, при игнорировании других звуков. Современные пьезоэлектрические MEMS-микрофоны реагируют только на звуки в диапазоне от 300 Гц до 6 кГц, включающем в себя голосовой диапазон человека. Так как они не требуют напряжения смещения, их активация происходит примерно через 50 мкс и они не пропускают ключевое слово. Для активации емкостных MEMS-микрофонов необходимо почти в 1000 раз больше времени – ​т. к. зарядка MEMS до высокого напряжения смещения происходит не сразу.

Специалисты Vesper Technologies считают, что в будущем им удастся создать датчики, обладающие некоторым уровнем искусственного интеллекта. Они смогут применять полученные данные, например о движении и температуре, для улучшения осведомленности об окружающей среде, подобно тому как люди и животные используют свои чувства – ​зрение, слух, вкус, обоняние и осязание. Перспективные планы корпорации заключаются в использовании устройствами нескольких типов датчиков, комбинирующихся и самоорганизующихся по законам биосистем, с целью большего понимания своей среды и наилучшего реагирования на нее и ее изменения.

Для поддержки своего развития корпорация Vesper Technologies расширяет группы разработки и сбыта. Сейчас они насчитывают 40 человек. В настоящее время офисы корпорации расположены в КНР, Сингапуре и Южной Корее, в ближайшие месяцы планируется открыть представительство на Тайване, в 2020 г. – ​расширить присутствие в Европе, Южной Корее и Японии. Теперь, когда крупные компании прошли через этап принятия новой технологии Vesper Technologies, пришло время роста. Тем более что конечные потребители – ​люди – ​начинают понимать преимущества архитектуры пьезоэлектрических MEMS-микрофонов, их новизну и комфортность использования.


Pelé Anne-Françoise. MEMS Microphone Market Grows; Vesper Too. EE Times, September 23, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1335128


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 8(6732) от 22 апреля 2021 г. г.
Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г. г.