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用语音控制未来:麦克风技术的最新进展

2020-03-17
作者:贸泽电子 Mark Patrick
来源:贸泽电子

  半个世纪以来,驻极体电容式麦克风(ECM)主导了麦克风市场。在这段时间,它们广泛应用在固定电话(尤其是1980/1990年代)、助听器、头戴式耳机、GPS设备、数字录音机、移动电话和家庭无线电服务(FRS)双向无线电,并可满足语音识别和VoIP等应用的需求。但是,随着系统变得越来越小,越来越薄,也需要体积更小,更加紧凑的ECM,这对其信噪比(SNR)产生了严重影响。此外,ECM的性能、可重复性和温度稳定性也都受到挑战。即使是相同型号和相同设计的ECM,其灵敏度也可能在工作温度范围内变化很大。它们在低频和高频端的响应也呈现出明显的差异。

  与ECM相比,微机电系统(MEMS)麦克风具有明显的优势。它们具有更高的SNR、更低功耗、更高的灵敏度和更强的抗振性,同时还具有更小的封装,从而节省了电路板面积。此外,它们与当代安装装配工艺完全兼容。但ECM却不适合与这些。

MEMS的需求超过ECM

  尽管MEMS麦克风是在上世纪80年代问世,但直到五六年前,它们的产量才超过ECM。智能手机和虚拟个人助理(VPA)智能扬声器等消费市场的巨大需求推动了它们的出货量增长。如果看一下这些产品中麦克风的数量,就可以很好地了解这个市场的规模。iPhone 6s、6s+、7、7+和8分别配备有四个MEMS麦克风,而Samsung Galaxy Note 8和9每个都有两个MEMS麦克风。三星Galaxy Home智能扬声器具有8个远场MEMS麦克风,亚马逊的Echo具有7个方向性远场麦克风阵列。虽然大多数可穿戴设备(例如智能手表等)都具有一个MEMS麦克风,但是相对较新的可听设备每对往往至少具有四个麦克风,因为像大多数具有主动降噪功能的耳机或头戴式耳机一样,每侧都有第二个麦克风(用于拾取环境噪声并加以消除)。

  根据市场研究咨询机构Yole Development的数据,到2022年,MEMS麦克风、ECM、微型扬声器和音频IC的全球市场总量将达到200亿美元,其中MEMS麦克风约占14亿美元。相反,ECM市场收入和出货量在同一时期的复合年增长率分别为-7.5%和-2.6%。

  IHS Markit预测,到2021年,全球MEMS麦克风的市场收入将攀升至15亿美元(相当于约66亿个出货量)。ResearchandMarkets的预测更为乐观,随着更多与物联网(IoT)和汽车系统相关的新应用机会不断出现,预计MEMS麦克风市场到2024年将增长至29亿美元。

ECM份额下降但并没有出局

  ECM尚未被市场排除在外,制造商已经在针对SNR改进设计,并增强其防尘和防潮等方面特性。例如,PUI Audio的高清ECM具有高灵敏度和出色的SNR,这些高清麦克风采用高级FET和膜片设计,并集成了GSM阻蜂鸣声电容器(buzz-blocking capacitor)。它们能够在20Hz~20kHz的频率范围内保持其保真度,从而使其适用于医疗、汽车、工业和消费电子产品设计。CUI公司提供的防水型ECM防护等级分为IP57、IP65和IP67。这些直径为4mm的全向麦克风具有引线和端点安装配置,工作频率高达20kHz,灵敏度等级最优达-42dB,SNR从57dBA到70dBA。

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  图1:CUI的防水ECM。

语音控制未来

  随着MEMS麦克风技术的发展,自动语音识别(ASR)的显著改进使人们能够采用虚拟个人助理(例如Siri。Alexa、Cortana和Google Assistant)进行更多的对话交互,这为智能家居中的语音控制接口铺平了道路。

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  图2:TDK的InvenSense ICS-40730。

  TDK的InvenSense ICS-40730是专为家庭自动化系统、智能手机、电话会议设备、安全/监视系统和其他语音控制/激活应用而设计,是一款低噪声、底部端口、差分模拟输出型MEMS麦克风。该器件包含一个阻抗转换器和一个差分输出放大器,具有高达74dBA的SNR,灵敏度为-32dBV(差分)和-38dBV(单端),124dB声压级(SPL)声过载点(AOP),-77dBV的电源抑制(PSR)以及±2dB的灵敏度公差等特性。

  同时,InvenSense ICS-40212模拟MEMS麦克风具有很高的动态范围和低功耗“AlwaysOn(不断电)”模式,适用于可穿戴设备、IoT硬件和智能手机等应用。该器件可提供一种低功耗模式,当电源电压低于2V时将低功耗模式启动,并在55?A电流和123dB SPL AOP条件下工作。它采用3。5mm x 2。65mm x 0。98mm底部端口表面贴装封装,具有严格的±1dB灵敏度容差和扩展的频率响应(35Hz~20kHz)。

  意法半导体(STMicroelectronics)的MP34DTx系列 采用顶部端口,具备EMI屏蔽的HCLGA封装设计,是一种紧凑型、低功耗、全向MEMS数字麦克风。这些低失真组件具有64dB SNR,122。5dB SPL AOP和-26dBFS±3dB的灵敏度。每个组件都具有采用CMOS工艺制造的IC接口,从而简化了专用信号调理电路的设计。

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  图3:英飞凌基于MEMS技术的XEN SIV麦克风。

  英飞凌(Infineon)的IM69D120和IM69D130 XENSIV全向MEMS麦克风适用于要求低内部噪声(即高SNR)、宽动态范围和低失真的应用,其目标应用包括家庭自动化系统、智能扬声器、IoT硬件等领域。这些麦克风具有脉冲密度调制(PDM)输出,70dB的SNR和105dB的动态范围以及130dB的SPL AOP。

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  图4:Knowles的SP SiSonic MEMS硅麦克风。

  Knowles的SP SiSonic系列是为满足智能手机、笔记本电脑和各种其他便携式设备而开发的MEMS硅麦克风,这些目标应用需要宽带音频性能和射频抗扰性。SP SiSonic是一款高性能,低功耗MEMS麦克风,这些紧凑型、底部端口器件集成有声学传感器、低噪声输入缓冲器以及Σ-Δ(sigma-delta)调制器或输出放大器,并提供多种性能模式(睡眠、低功耗、标准等)。

压电技术:下一代MEMS麦克风

  业界对更高信噪比以及更高可靠性和耐用性的需求导致压电MEMS麦克风的开发,这些技术都是由英国的Vesper Technologies率先推出。该公司的VM1000全向压电MEMS麦克风具有单端模拟输出,扩展的动态范围和强大的SNR值(1kHz时为94dB SPL)。该麦克风采用防水(IP57级)、防尘、防颗粒和防震封装,具有非常稳定的性能。它以3.76mm x 2.95mm x 1.1mm封装尺寸提供,用户能够从房间的另一侧进行录音,具有出色的环境噪声消除和“音频缩放”功能,录音时具有更准确的声音选择。

  具有底部端口的 VM1010压电MEMS麦克风可为许多不同的电池供电智能设备提供语音激活。它在聆听模式下仅消耗10?A的电流,通过利用与之直接接触的声能,该麦克风能够使周边系统从完全断电模式激活。凭借非常坚固的架构,此麦克风具备可由用户定义的响度阈值,因而能定制语音激活机制以适合所需的距离,并且还可考虑应用环境的特定背景噪声特征。当周围环境安静时,系统将进入低功耗“声音唤醒”模式,从而可以节省电池能源。


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