Altavoz MEMS todo‑silicio: Diseño monolítico que revoluciona la tecnología de audio

Los micrófonos de condensador electret tradicionales han sido durante mucho tiempo los más usados, pero los micrófonos de sistemas micro‑electromecánicos (MEMS) los están desplazando cada vez más. Los altavoces de bobina de voz han sido durante mucho tiempo los más usados, pero ¿desplazarán algún día los altavoces MEMS a estos? La startup de Santa Clara xMEMS, Inc. busca cambiar el juego y eclipsar altavoces de bobina de voz e híbridos MEMS implementando el altavoz MEMS completo —actuador y membrana— en silicio.

¿Probado y verdadero?

Fundada en octubre de 2017, xMEMS emerge del modo sigilo con la introducción de lo que afirma ser el primer altavoz MEMS monolítico verdadero, entregando alta fidelidad, sonido de banda completa y baja distorsión armónica para dispositivos de audio personal inteligentes como auriculares true wireless stereo (TWS), monitores intraurales y auriculares. Bautizado Montara, el altavoz MEMS ha sido muestreado a clientes selectos desde abril. Las muestras de ingeniería se han liberado a más OEMs y fabricantes, se esperan pedidos de riesgo a finales de este año, y la producción en masa está planeada para abril de 2021.

Mike Housholder de xMEMS

Si Montara es el primer altavoz MEMS "verdadero", ¿significa que hay altavoces MEMS "falsos"? La respuesta es no, pero xMEMS no juega con la elección de palabras. Reemplazar solo un componente de un altavoz con MEMS no basta para hacerlo un altavoz MEMS. Montara es "el primer altavoz monolítico, single‑die, todo‑silicio, así que sale de la fab como un altavoz totalmente funcional", dijo Mike Housholder, VP de marketing y desarrollo de negocio en xMEMS, a EE Times. "No hay paso adicional de proceso y ensamblaje más allá del empaquetado semiconductor tradicional."

Montara tiene una arquitectura basada en celdas, y cada cuadrado es un altavoz individual. "Tiene un actuador MEMS piezoeléctrico y, encima, una membrana de altavoz grabada en silicio". La membrana de silicio es empujada arriba y abajo por el actuador MEMS piezoeléctrico, generando presión de aire, que mueve la membrana y crea sonido. "Básicamente hemos creado un array de seis celdas para esta primera implementación de Montara, y esas seis celdas se mueven en concierto para generar la señal de sonido."

¿Por qué MEMS?

La tecnología de bobina de voz lleva un siglo y parece funcionar bien, dijo Housholder. Los altavoces de bobina de voz multi‑componente, sin embargo, requieren líneas de ensamblaje de fábrica intensivas en mano de obra y alta variabilidad. Porque los altavoces de bobina de voz son semi‑automatizados, "verás en cualquier fábrica de altavoces cientos o miles de trabajadores envolviendo manualmente bobinas de voz alrededor de imanes, montando membranas de plástico o papel. Y siempre que hay humanos involucrados, tienes variabilidad." Al fabricar auriculares, continuó, "los trabajadores tienen que pasar por un proceso de calibración y matching para los altavoces para asegurar que el altavoz izquierdo y el derecho suenen aproximadamente igual." Este paso de calibración inevitablemente consume tiempo y dinero.

Lo que xMEMS busca aportar es un altavoz de banda completa con "los beneficios de un proceso semiconductor completo: uniformidad, repetibilidad y consistencia", dijo Housholder. "Tenemos una banda de guarda muy ajustada, donde cada altavoz rinde muy similar al otro, así que podemos eliminar un paso de calibración y test en la línea de ensamblaje de auriculares."

Además, los materiales piezoeléctricos son resistentes al polvo y agua, "así que hace muy fácil hacer un altavoz impermeable y a prueba de polvo, sin ningún recubrimiento especial ni malla waterproof". Básicamente, el chip tal como sale de la fab es IP‑57.

Altavoz Montara de xMEMS

Hoy, cada altavoz del mercado tiene una frecuencia resonante dentro del rango audible, pero esa resonancia crea un perfil de sonido antinatural que debe manejarse durante la fabricación y el diseño del altavoz y el auricular, explicó Housholder. Con altavoces de bobina de voz, "tienes que amortiguar la resonancia o diseñar algún tipo de filtrado". La frecuencia resonante de Montara está "al norte del rango audible (20 kHz), así que no hay amortiguamiento especial, filtrado ni acomodo que necesite hacerse para nuestro altavoz."

Y mientras la mayoría de altavoces van pegados a la carcasa del auricular o en algún sub‑ensamblaje, Housholder dijo que Montara puede pegarse, adherirse a un sub‑ensamblaje o soldarse en una placa de circuito impreso, como cualquier otro componente semiconductor.

Calidad de sonido primero

El consumo de medios se ha vuelto una rutina en cualquier lugar y momento, y los consumidores exigen cada vez más calidad de audio mejorada. Según la firma de investigación de mercado Canalys, los envíos mundiales de dispositivos inteligentes superarán los 3.000 millones en 2023, con la categoría de audio personal inteligente creciendo más rápido. En 2020, se espera que los dispositivos de audio personal inteligente crezcan un 32,1 % interanual, hasta 490 millones de unidades.

xMEMS se posicionará en el mercado de rápido crecimiento de altavoces near‑field, y sus dos primeros segmentos de producto serán TWS y monitores intraurales. "Tenemos que producir un sonido igual o mejor que la bobina de voz para ser considerados seriamente en nuevos diseños", dijo Housholder. "Lo único de los altavoces MEMS piezoeléctricos es donde vuestros altavoces de bobina de voz tradicionales caen y decaen en frecuencias altas." Con MEMS piezoeléctricos, "ganáis más SPL". También permite a OEMs moldear el perfil de sonido, porque "no introduce artefactos en el sonido si lo filtráis para moldear un sonido brillante o cálido."

La startup californiana también esbozó la capacidad de reemplazar dos a cuatro armaduras balanceadas con un solo Montara. Y "porque nuestro altavoz es monolítico, todo en silicio, tenemos un tiempo de respuesta mecánica rápido. Donde eso pagará los mayores dividendos es en cancelación activa de ruido."

Aunque no revela el precio, Housholder dijo que la compañía ha comparado Montara con soluciones high‑end off‑the‑shelf. "Seremos competitivos con los altavoces de armadura balanceada actuales, y sentimos que aportamos nuevos beneficios a la mesa por precio igual."

En la hoja de ruta

Diferentes configuraciones de Montara podrían desarrollarse para abordar un precio más bajo, dijo Housholder. "Estamos mirando una configuración dos‑por‑dos celdas con cuatro celdas de altavoz para alcanzar un precio más bajo y entrar en el mid‑range del mercado." Como los auriculares over‑ear tienen una copa más grande que cubre la oreja, xMEMS dijo que también está considerando aumentar el número de celdas para generar un sonido mayor.

La hoja de ruta de la startup va más allá de hearables, ya que "hay un gran mercado para audio no near‑field, para audio en espacio abierto, libre, altavoces loudspeakers", dijo Housholder. Los loudspeakers tocan smartphones, altavoces inteligentes, barras de sonido de home entertainment, TVs y automoción, donde ve oportunidad de quitar peso significativo de los loudspeakers. "Estamos mirando diferentes arquitecturas para abordar la variedad del mercado de loudspeakers que existe."

En julio, xMEMS recaudó un poco más de 11 millones de dólares. Tiene una oficina en ZhuBei, Taiwán, y emplea 26 personas.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EE Times.