Soluzioni audio MEMS

Le tecnologie MEMS consentono di realizzare microfoni e altoparlanti con grande efficacia di conversione elettro-acustica, bassi consumi e dimensioni di pochi mm e oggi i costruttori cercano di migliorarne ulteriormente la qualità per offrire prestazioni sempre più hi-fi

Pubblicato il 28 febbraio 2017

I recenti progressi nelle tecnologie MEMS hanno consentito la miniaturizzazione dei dispositivi audio che si sono diffusi innanzi tutto dentro a smartphone, tablet e laptop ma parimenti a bordo auto per il comando vocale di alcune funzioni oppure nei prodotti per il fitness per offrire maggior ergonomia e confort a chi li indossa. Nel report “Global MEMS Microphone Market 2016-2020” gli analisti inglesi di Technavio promettono una crescita con Cagr del 12,06% per i microfoni MEMS nei prossimi tre anni precisando che i componenti audio MEMS sembrano avere lo stesso trend che hanno avuto i sensori d’immagine quando al loro apparire ebbero un successo tale da far crollare rapidamente l’allora fiorente mercato delle fotocamere.

Fig. 1 – La robustezza e la linearità della risposta caratterizzano i microfoni MEMS Knowles SPH0645LM4H-B ideali per gli smartphone e per le applicazioni automotive a comando vocale

Considerando che ora negli smartphone sono già d’uso comune, i chip capaci di catturare immagini e filmati con definizione ultra-HD appare evidente l’esigenza di migliorare le prestazioni dei microfoni e degli altoparlanti MEMS, affinché non si limitino a una buona qualità vocale ma sappiano offrire un livello di qualità audio hi-fi all’altezza. È noto che per gli altoparlanti è anche questione di dimensioni quando si vogliono generare suoni a un volume consistente ed è perciò probabile che continueranno a essere proposti anche come accessori da aggiungere, ma le nuove tecnologie di trasduzione sonora hanno comunque ottenuto ottimi livelli di qualità anche negli altoparlanti con dimensioni di pochi mm. Ciò che cercano i costruttori è, perciò, un ulteriore avanzamento delle tecnologie MEMS necessarie per migliorare la fedeltà acustica dei microfoni che considerano essenziali per le applicazioni multimediali di nuova generazione.

Hi-Fi in pochi mm

Per valutare la qualità audio dei microfoni oltre al rapporto segnale-rumore (SNR, Signal-Noise Ratio) si calcola il punto di overload acustico (AOP, Acoustic Overload Point) che indica il livello di pressione sonora (SPL, Sound Pressure Level) che fa introdurre al microfono una distorsione armonica (THD, Total Harmonic Distorsion) del 10%. Oggi un AOP pari a 120 dB SPL è considerato accettabile per una buona qualità vocale ma già da qualche tempo i costruttori spingono verso 130dB SPL che vanno meglio per registrare la musica a un concerto.

Stanno anche cercando di migliorare ulteriormente tale valore ma le ricerche in corso mostrano che ad aumentarlo troppo in un microfono di troppo pochi mm aumenta anche la probabilità che il SNR crolli di colpo impedendo di fatto la possibilità di ingegnerizzare il processo. Questa problematica è comune anche agli altoparlanti MEMS e perciò ci si attende molto dagli sviluppi delle ricerche sui nuovi materiali nanostrutturati che sono alla base del funzionamento di questi componenti audio. A tal scopo è necessario utilizzare sostanze conduttive piuttosto robuste ma nel contempo adeguatamente morbide per oscillare e deformarsi nel loro compito di trasduzione dei segnali dalla forma elettrica a quella acustica e viceversa.

Va detto che in tutte le nuove tecnologie micro elettro meccaniche sviluppate a tal fine il principio di funzionamento è rimasto praticamente immutato con l’elemento oscillante MEMS accoppiato al suo telaio di supporto in modo tale da formare un condensatore tempovariante in ricezione, quando deve trasformare la variazione di capacità in una variazione di tensione, oppure una membrana a comando induttivo in trasmissione, quando dev’essere sollecitata da un avvolgimento per produrre i cambi di pressione nell’aria che consentono di generare i suoni.

Microfoni MEMS “lunari”

Knowles nasce per fabbricare microfoni a transistor ed è stata il fornitore ufficiale di componenti audio per la spedizione lunare dell’Apollo 11, quando Neil Armstrong mise piede sulla luna. Oggi ha perfezionato la tecnologia audio proprio grazie ai MEMS e ha già da qualche anno in produzione l’innovativa serie dei microfoni MEMS SiSonic a montaggio superficiale caratterizzati dalla robustezza e dalle prestazioni ottimizzate per i terminali telefonici, per l’elettronica consumer e per le applicazioni automotive a comando vocale.

I microfoni della serie SPH0645LM4H-B uniscono l’elemento sensibile insieme a un convertitore sigma/delta e a un’interfaccia I2S, Inter-IC Sound, in 3,5×2,65×0,98 mm dove avviene l’intera elaborazione diretta del segnale. La risposta SNR è di 65 dB con un’AOP di 120dB SPL e una THD di 110 dB SPL nel range termico che va da -40 a +100 °C. La serie SPH0641LU4H-1 ha una banda sensibile agli ultrasuoni che arriva fino a 80 kHz e consente d’implementare funzionalità phone-to-phone nonché di realizzare filtri acustici molto efficaci per separare il rumore a tutte le frequenze, udibili e non udibili, dai microfoni degli smartphone.

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Fig. 2 – Il sensore acustico MEMS Vesper VM1000 offre un’AOP di 125 dB SPL con un SNR di 64 dB e una THD di 94 dB SPL e nella nuova versione VM1010 è anche quiescent-sensing

Microfoni direzionali

Vesper Technologies è stata fondata da due ricercatori dell’Università del Michigan che sono riusciti a direzionare la cattura delle onde acustiche in modo tale da sopprimere automaticamente le onde sonore provenienti da direzioni diverse dalla normale rispetto alla membrana piezoelettrica. Quest’ultima è formata da quattro triangoli contrapposti e separati nel mezzo in modo tale da potersi deformare in quattro modi diversi e provocare la variazione di altrettanto quattro capacità ai lati.

Con quest’approccio il circuito di elaborazione può valutare la deformazione sulle due direzioni formate dalle due coppie di membrane e selezionare un segnale elettrico d’uscita sensibile alla direzione perpendicolare dell’onda acustica. Rispetto al primo VM101 il più evoluto VM1000 con dimensioni di 3,76x 2,95×1,1 mm migliora la risposta segnale/rumore a 64 dB e la AOP a 125 dB SPL mentre la THD viene confinata a 94 dB SPL, ma in ogni caso la SPL massima è di 160 dB nel range termico fra -40 e +85 °C. Nella nuova versione VM1010 è stato ulteriormente abbattuto il consumo di corrente a 3 µA in ascolto e quasi a zero in standby e ciò ne giustifica la descrizione di microfono MEMS “quiescent-sensing” ideale negli smartphone dov’è importante preservare la durata delle batterie.

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Fig. 3 – I micro altoparlanti MEMS di Audio Pixels ricostruiscono il segnale acustico direttamente dalla forma digitale e si compongono in array fino alla dimensione planare desiderata pur limitando lo spessore in 1 mm

Altoparlanti modulari

Audio Pixels è finalizzata a sviluppare la tecnologia MEMS proprietaria alla base dei suoi altoparlanti a film sottile caratterizzati dal basso costo e dalla modularità. Ogni micro altoparlante elementare è puramente elettrostatico e ha un diametro di 150 µm ma si può comporre in array di qualsivoglia dimensione planare mentre lo spessore rimane sempre contenuto in 1 mm.

A comandare i “pixel” audio è un sistema di controllo brevettato denominato Digital Sound Reconstruction che scompone il segnale elettrico da riprodurre in una somma di impulsi discreti e poi li indirizza opportunamente verso i micro altoparlanti elementari. Ciascuno di questi trasforma la sua parte di segnale in un’onda acustica e poi tutti i suoni riprodotti si sovrappongono all’esterno riformando il suono con tutte le sue caratteristiche originali e buona fedeltà audio.

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Fig. 4 – PUI Audio realizza micro trasduttori basati sui suoi Audio eXciters che riescono in pochi mm a offrire un’ottima qualità sonora con un SPL a 10 cm attorno ai 90 dB ideale per gli smartphone

Altoparlanti MEMS planari

PUI Audio nasce come Projects Unlimited producendo il primo ecoscandaglio digitale al mondo e specializzandosi nella fornitura di componenti specifici per gli aerei della McDonnell Douglas, ma la vera svolta avviene nel 1972 quando gli Audio eXciters allo stato solido ideati, brevettati e fabbricati dalla sua divisione Audio Products Division riscuotono un successo tale da far cambiare il nome all’intera società in PUI Audio e farla diventare subito leader nelle soluzioni audio non solo negli USA ma in tutto il mondo.

Sono questi componenti MEMS a far sparire il diaframma dagli altoparlanti per i prodotti consumer introducendo la possibilità di attaccare l’avvolgimento che comanda la trasduzione del segnale dalla forma elettrica alla forma acustica direttamente sulla superficie interna del coperchio di ogni prodotto in modo tale da imporre alla sua superficie esterna la generazione delle vibrazioni acustiche. In pratica, si delinea un piccolo cerchio di superficie esterna che diventa un altoparlante invisibile e a differenza dei diaframmi che hanno un determinato cono d’uscita dei suoni ora viene prodotta un’onda sonora planare che può essere ascoltata senza distorsione in tutte le direzioni.

Oggi PUI Audio produce sette diverse serie di eXciters ASX0x con diametri che vanno da 6,5 fino a 40 mm e diverse opzioni sia per il range delle frequenze acustiche sia per la robustezza, l’impermeabilità e la resistenza a polvere e agenti inquinanti di ogni tipo. Con lo stesso principio sono fabbricati i Micro-Speaker allo stato solido Slim Line rettangolari ideali per gli smartphone per le loro dimensioni di 11x15x4,42 mm e 18x13x3,1 mm con rispettivamente, nei due casi, una risposta spettrale da 550 a 20k Hz oppure da 0 a 14 kHz e un SPL di 84 e 94 dBA a 10 cm di distanza. Nell’ampia offerta PUI Audio troviamo anche trasmettitori e ricevitori di onde acustiche ultrasoniche allo stato solido suddivisi in tre serie che si differenziano sia nelle dimensioni sia nelle caratteristiche di robustezza e, inoltre, trasduttori audio, microfoni, sirene, piezoelettrici e altri componenti.

Lucio Pellizzari



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