Калифорнийская компания xMEMS Labs развила идею твердотельных динамиков на основе технологии МЭМС до динамиков для открытых наушников и носимой, а также мобильной электроники. По словам компании, новая разработка привнесёт полноценный звук в мобильное окружение без увеличения объёма под акустическую систему. Это мечта инженеров — плоские и компактные динамики с чистым звуком в тонких корпусах изящного дизайна.

Источник изображений: xMEMS Labs

В активе компании есть МЭМС-динамики для закрытых наушников и даже кулеры для охлаждения чипов. Новая разработка, получившая имя Sycamore, расширит диапазон использования кремниевых акустических систем до установки в умные часы, гарнитуры виртуальной реальности, смартфоны, ноутбук и, конечно же, открытые наушники.

«Со Sycamore мобильная электроника теперь может появиться в более тонких и стильных форм-факторах, сохраняя при этом мощный и насыщенный звук, — сказал Майк Хаушолдер (Mike Housholder), вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса в xMEMS. — Благодаря лучшей производительности как на низких, так и на высоких частотах, Sycamore обеспечивает мощный звук в полном диапазоне для смарт-часов, смарт-очков и любого другого небольшого мобильного форм-фактора, о котором мечтают инженеры».

Состоящий из кремния микродинамик имеет размеры всего 8,41 × 9 × 1,13 мм и весит 150 мг. По оценкам xMEMS, это составляет примерно треть толщины «обычного набора динамиков» при гораздо меньшей занимаемой площади. Также кремниевым динамикам нужен меньший объём пространства за ними для полноценного звучания, если речь идёт об установке в корпус носимой или мобильной электроники. При этом новинка может похвастаться аналогичными характеристиками на средних частотах и запасом для низких частот до 11 дБ. Универсальный твердотельный динамик также хорошо работает на более высоких частотах, обеспечивая «на 15 дБ большую громкость на частотах выше 5 кГц», если сравнивать с динамиками с диффузорами.

Массовое производство новинки компания собирается начать в октябре 2025 года. Заинтересованные производители получат образцы продукции раньше — в начале следующего года.

Один из разработчиков микроэлектромеханических динамиков (МЭМС), молодая компания xMEMS, готовит к демонстрации на CES 2024 интересную новинку — кремниевые динамики для наушников, которые демонстрируют впечатляющую громкость на низких частотах. Разработка обещает стать основой аудиогарнитур высокого класса, продемонстрирует впечатляющие шумоподавляющие свойства и намерена проникнуть в мир динамиков для ноутбуков, автомобилей и техники вообще.

Источник изображений: xMEMS

Для передачи низких частот в традиционных акустических системах необходимы диффузоры большого размера. Для бездиффузорных МЭМС-динамиков это, казалось бы, совершенно неподъёмная задача — обеспечить басы на крошечных мембранах. Но в xMEMS нашли решение. Вместо того чтобы двигать диффузоры и создавать звуковое давление перед динамиками, разработчики компании предложили двигать весь объём воздуха в камере наушника. И достигается это с помощью ультразвука, на что миниатюрные кремниевые клапаны вполне способны.

Чип в наушниках Cypress смешивает аудиосигнал с несущей в ультразвуковом диапазоне. Это создаёт два ультразвуковых сигнала, согласованных по амплитуде с аудиосигналом: один модулирует несущую ультразвуковую волну, а второй создаёт боковую полосу подавления (side-band suppressed). Сигнал подавления идёт на мембранные исполнительные механизмы (mems trasducer, SM), а модулированный ультразвуковой сигнал подаётся на исполнительные механизмы (SV). Механизм SM создаёт давление воздуха в канале наушника, а механизм SV производит демодуляцию сигнала и мы вместо ультразвука слышим звук, усиленный давлением воздуха.

По словам компании, в сравнении с обычными МЭМС-динамиками низкие частоты в динамиках xMEMS в 40 раз сильнее (сравнение делалось не с лучшими моделями компании Cowell, если что). На 20 Гц громкость xMEMS достигает 140 дБ. Подобная характеристика обещает привести к появлению поразительных по шумоподавлению наушников. На низах они заглушат даже рёв взлетающего реактивного самолёта невдалеке. Наконец, проблема с шумоподавлением в том, что если наушник сидит в ухе неплотно, то он перестаёт подавлять шум. По крайней мере, не делает это хорошо. С заявленным запасом по низам наушники xMEMS будут свободны от этой проблемы.

К другим преимуществам МЭМС-динамиков можно отнести отсутствие помех в виде фазовых искажений, а также фазовой рассогласованности отдельных экземпляров динамиков. Это упростит производство и сборку наушников. Кстати, одними из первых наушники на динамиках xMEMS обещала начать выпуск компания Creative. Непосредственно производством MEMS-динамиков компании занимается TSMC. Во всяком случае, она выпускала первые поколения динамиков xMEMS.

Массовое производство новых кремниевых динамиков xMEMS (и управляющих микросхем) с невообразимыми низами начнётся в июне 2024 года. В продаже наушники с этими динамиками должны появиться в конце 2024 года.

Американская компания xMEMS предрекает революцию в наушниках — совсем скоро они перейдут с привычных диффузоров на кремниевые MEMS-динамики. Первой новинку обещает выпустить компания Creative, сделавшая себе имя на звуковых платах для ПК. Произойдёт это до конца текущего года. И хорошо бы! Разработчик уже не в первый раз сообщает о начале массового производства наушников с MEMS-динамиками.

Один из вариантов наушников с MEMS-динамиками. Источник изображений: xMEMS Labs

«Как компания, специализирующаяся на производстве аудиотехники, Creative с удовольствием сотрудничает с xMEMS Labs, чтобы интегрировать их инновационную технологию MEMS в наши TWS-продукты, — сказал Сонг Сиоу Хуи (Song Siow Hui), генеральный директор сингапурской компании Creative Technology. — Мы уверены, что благодаря этому наши продукты TWS будут выделяться на рынке, обеспечивая исключительное качество звука, комфорт и стиль для наших пользователей».

Кремниевые динамики Montara компании xMEMS Labs впервые были представлены в 2020 году. О производстве MEMS-динамиков (на основе микроэлектромеханических систем) было сообщено в 2021 году. Этим занялась известная тайваньская компания TSMC, поскольку производство MEMS-динамиков мало чем отличается от производства микросхем на кремниевых подложках. Первой выпустить «волшебные по звучанию» наушники, как характеризует свою разработку xMEMS Labs, пообещала компания Inventec Appliances Corp (IAC). Но в продажу, по всей видимости, они так и не поступили. Так что у компании Creative есть шанс действительно стать первой, кто выпустит наушники с «кремниевыми» динамиками.

Толщина каждого из динамиков xMEMS Montara Pro составляет всего 1 мм. По уверению разработчика, они станут «усладой для ушей аудиофилов». Компания обещает «непревзойдённое качество и эффективность звучания», обеспечивая «кристально чистое звучание, воспроизводящее все нюансы музыки и аудиоконтента с поразительной точностью». Также наушники позволят значительно улучшить пространственное звучание с большей детализацией и разделением благодаря исключительной фазовой согласованности пары динамиков, которая, как утверждается, в семь раз лучше, чем у обычных динамиков с пластиковыми или бумажными диффузорами.

Если отбросить рекламную шелуху, xMEMS заявляет о коэффициенте нелинейных искажений кремниевых динамиков не более 0,5 % в рабочем диапазоне от 10 Гц до 20 кГц. Для этого каждый динамик содержит по шесть зональных мембран на своих отрезках АЧХ — по две мембраны на каждый участок. В заявленном частотном диапазоне каждый динамик развивает звуковое давление свыше 110 дБ (прототип показал 115 дБ). Кремниевые динамики безразличны к воде и пыли и потребляют меньше обычных динамиков.

В Scientific Reports вышла статья группы авторов из Сколтеха, НИТУ МИСИС и Оксфорда с детальным описанием физических характеристик кремниевых панцирей планктона. Копируя структуру и строение панцирей, можно создать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и при этом потребляющего мало энергии микрофона, фотонный кристалл или нечто другое, на что у природы ушло миллиарды лет.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Для изучения свойств и строения панцирей диатомовых водорослей — одноклеточных организмов с поразительными свойствами — исследователи задействовали самый передовой инструментарий, включая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию). Пожалуй, эта работа стала первым исследованием, в котором свойства кремниевых панцирей диаметром всего 30–40 мкм были изучены очень и очень детально.

Жёсткость, упругость, способность выдерживать деформации, вибрации и степень восстановления, а также многие другие параметры до этого никогда и никем не регистрировались. Полученные российскими и английскими учёными данные станут отправной точкой для множества других работ в этом направлении, что в конечном итоге обещает привести к появлению множества новых технологий, материалов и решений, включая оптронику, MEMS и наномеханику.

«Эволюционный успех и большое значение диатомовых для биосферы Земли говорят о том, что их структура оказалась оптимальна с точки зрения оптики, механики и биохимии одновременно, также при этом сводя к минимуму вес и расход материала», — пояснил заведующий Кафедрой физической химии НИТУ МИСИС, старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха Алексей Салимон.

Как говорится в статье научного коллектива в Scientific Reports, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых водорослей «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты, но сфера их применения не должна ограничиваться только этим. Учёные и инженеры могут вдохновиться совершенством этих естественных объектов и реализовать подсмотренное у природы в современном мире, включая электронику и наноустройства.