作者：Coventor（泛林集團旗下公司）資深應用工程師 Arnaud Parent 博士

我們曾在之前發(fā)布的文章《解讀MEMS麥克風技術與設計》中指出，MEMS麥克風的需求是由客戶所要求的音頻功能驅(qū)動的，如立體聲、語音識別、聲音指向性、噪音消除等。為了實現(xiàn)這些音頻特性，在最終問世的產(chǎn)品中需要使用多個MEMS麥克風來支持該功能。例如，最先進的智能手機可能包含多達6個麥克風。由于遠程辦公的需求提升，對MEMS麥克風的需求在一定程度上也加速提升。遠程辦公和在線會議正在成為新常態(tài)，如果沒有好的語音輸入系統(tǒng)（即麥克風），這些會議將不可能實現(xiàn)。

語音傳感器正被用于真無線立體聲 (True Wireless Stereo, TWS) 耳塞。這些耳塞之間可以無線連接，并與智能手機或其他藍牙設備連接。每個立體聲耳塞包含一個揚聲器（未來可能是一個MEMS微型揚聲器）和多個MEMS麥克風。大多數(shù)高級TWS系統(tǒng)中，每個耳塞包含三個MEMS麥克風：兩個外部麥克風用于波束形成，一個內(nèi)部麥克風用于主動噪聲消除 (ANC)。因為兩個外接麥克風之間必須有一定的距離，所以典型的P型TWS耳塞會有一個長條（如圖1所示）。

圖1：商業(yè)化的TWS耳塞（圖片出處：蘋果公司）

主動降噪 (ANC) 是無線耳塞的一個理想功能，它能成功地降低背景噪音和風噪聲，但同時也會降低聲音接收。由于這個問題，在語音通話時，ANC經(jīng)常被關閉[1]。為了克服這一局限性，一種新型的MEMS器件會通過骨骼和頭骨振動直接捕捉聲音，它被稱為“語音拾取傳感器 (VPU)”[2]或“語音拾取加速計”[1]，簡稱為“加速計”[3]，由一個具有MEMS麥克風頻率特性的MEMS加速計構(gòu)成。基本上，該器件是麥克風和加速計的混合體。一個簡化的VPU傳感器包括一個改良的MEMS麥克風（麥克風的膜片上附著一個質(zhì)量塊）和一個密閉的聲音端口（圖2）。

圖2：MEMS麥克風（左）和語音拾取 (VPU) 骨傳感器（右）示意圖。注意VPU上增加的質(zhì)量塊和缺失的聲音端口。

除了經(jīng)改進的語音檢測功能和背景噪聲免疫，VPU在主動降噪應用中還有一些其他優(yōu)勢：

● 支持輕敲檢測：這提供了一種交互方式來控制設備，例如輕觸一次可以增加揚聲器音量，輕觸兩次可以降低音量；

● 語音打斷功能：即使在內(nèi)部揚聲器播放音樂時，VPU也能拾取語音活動，這意味著，即使在聽吵鬧的音樂時，依然可以聽到談話聲；

● 由于沒有使用或需要聲音端口，VPU可以被完全密封包裹起來，更好地保護它免受外部環(huán)境污染。

圖3：MEMS+ VPU模型 (圖中所示為器件的1/4)

MEMS+?是CoventorMP?MEMS設計平臺的一種工具，可用于設計MEMS麥克風、加速計和VPU傳感器。MEMS+ VPU模型如圖3所示。該模型能準確再現(xiàn)器件的非線性行為，這在電路和系統(tǒng)級設計中是至關重要的。同時，該模型還完全參數(shù)化，支持多物理建模。目前，MEMS設計軟件的最新版本CoventorMP 2.0也已發(fā)布。該版本允許在MEMS設計中使用充電源，這是在實際配置中測試MEMS麥克風和VPU的關鍵。CoventorMP中的每一項功能都可以用于設計和開發(fā)高度先進的下一代語音檢測設備。

隨著新的應用和采用語音傳感的新產(chǎn)品問世，對MEMS麥克風的需求將繼續(xù)增加。支持高級功能的新型基于MEMS的語音傳感器（如VPU），以及對新的、更好的語音感知解決方案的需求，將繼續(xù)推動下一代MEMS麥克風和基于MEMS的語音感知產(chǎn)品的發(fā)展。

參考資料：

[1] Vesper white paper, Voice Accelerometers in TWS Earbuds, A Sensor and Algorithm Perspective

[2] Paul Clemens, Sonion Voice Pick up (VPU) Sensor, TDK Developers Conference 2018, Santa Clara Marriott, September 17-18, 2018

[3] ST-Microelectronic brochure, LIS25BA, Low-noise, high-bandwidth accelerometer with TDM interface

審核編輯 黃宇