Mems-mikrofon med studiokvalitet

Genom att ersätta den kapacitiva avläsningen i dagens mikromekaniska mikrofoner med en optisk lösning går det att lyfta dynamiken med 20 dB och därmed nå studiokvalitet. Norska Sensibel är på god väg att kommersialisera tekniken.

Prestanda

•80 dBA SNR
•140 dB SPL Acoustic Overload Point (AOP) @ 1kHz
•<0,5% THD (Total Harmonic Distortion)

– Det är lätt att göra på bänken men inte att göra i en liten kapsel. Det är många som forskat på det, säger Jakob Vennerød.

Han är specialist på akustik och var med och utvecklade tekniken på det norska forskningsinstitutet Sintef tillsammans med Matthieu Lacolle, vars specialitet är mems-teknik.

År 2017 knoppades Sensibel av för att kommersialisera resultaten. Idag har det Oslobaserade företaget 18 anställda och har nyligen tagit in 15 miljoner euro i en A-runda.

– Vi har bevisat att tekniken fungerar, vi har sampel och jobbar tätt med kunder, säger Sverre Dale Moen som är vd för Sensibel.

Sedan de första mikromekaniska mikrofonerna lanserades för 20 år sedan har tillväxten varit extremt stark. Idag tillverkas runt sju miljarder mikrofoner per år. Varje mobiltelefon har minst en, ofta fler.

Dessutom hittar man mems-mikrofoner i smarta högtalare och många andra produkter på både konsument- och proffsmarknaden.

Från början låg signal-till-brusförhållandet runt 55 dBA. Därifrån har den förbättrats med ungefär 1 dB per år för att idag vara cirka 70 dBA. Det är fortfarande en rejäl bit kvar till de mikrofoner som används i inspelningsstudios, de ligger åtminstone på 80 i signal-till-brusförhållande.

Det är här som Sensibels optiska lösning kommer in. Genom att använda laserljus, foto-detektorer och en interferometer som integrerats i det mikromekaniska membranet går det att sänka störnivån ordentligt.

– Det är många som prövat men ingen som lyckats integrera det i en liten kapsel. Det fanns en firma i USA som testade, men de förblev på forskningsstadiet, säger Jakob Vennerød.

Förutom att den optiska lösningen ger ett signal-till-brusförhållande som är 10 dB bättre, klarar Sensibels mikrofon även starkare signaler utan att klippa. Det handlar om så mycket som 10 dB jämfört med en kapacitiv mems-mikrofon.

– 10 dB innebär en dubblering av upplevd ljudnivå så vi säger att vi gör en studiomikrofon i en mems-kapsel. Det är de stora studiomikrofonerna som är referensen.

Företagets mikrofon kommer dock att bli dyrare än de hårt prispressade kapacitiva mems-mikrofoner med ett SNR på 60 dB som sitter i billiga konsumentprodukter.

– Vi ska gå efter de kunder som behöver bättre mikrofoner med högt SNR, hög AOP och är robusta, säger Sverre Dale Moen.

Det skulle exempelvis kunna vara mobiltelefoner som vill profilera sig genom att erbjuda bättre kvalitet i ljudinspelningen. Ett annat exempel är produkter med många mikrofoner arrangerade i en array, som smarta högtalare som ska lyssna i den riktning talet kommer ifrån. Ett bättre signal-till-brusförhållande ökar sannolikheten för att högtalaren förstår vad du säger. Eller så kan man ha färre mikrofoner med bibehållen prestanda.

Därutöver finns marknaden för professionella kunder som inte är lika priskänsliga. Där hittar man produkter med hundratals mikrofoner för speciella applikationer, som att zooma in på ljud på riktigt långt håll, eller täcka stora ytor.

Tekniken är patenterad. Det viktigaste patentet handlar om hur man implementerar den optiska diffraktionen. Det finns också patent på byggsättet – hur man får komponenterna att fungera ihop i den minimala kapseln.

Lasern är ytemitterande (VCSEL) och av samma typ som används i mobiltelefoner för avståndsmätning.

Tillsammans med egenutvecklade asicen och alla övriga delar drar den kompletta mikrofonen några få milliwatt när den är aktiv. Det är lite mer än en kapacitiv mems-mikrofon när den presterar på topp, men samtidigt går det att optimera strömförbrukningen genom att justera känsligheten på samma sätt som för kapacitiva mems-mikrofoner.

– Det är enkelt att programmera och går att styra som kunden vill. Vid exempelvis 70 dB SNR är vår mikrofon mycket konkurrenskraftig jämfört med andra mikrofoner på 70 dB SNR, säger Sverre Dale Moen.

När det kommer till storleken är det framförallt höjden som sticker ut. Den är lite större än för kapacitiva mikrofoner för att få in den optiska stacken.

– Det är generation ett, men vi kan optimera det framöver, säger Jakob.

Företaget tog nyligen in 15 miljoner euro i en A-runda.

– Det kostar att bygga upp produktionen, så vi kommer att köra en runda till nästa år.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Tilläggas kan att arbetet med nästa generation redan startat och att det på längre sikt kan komma andra produkter baserade på företagets patenterade teknik, som mikromekaniska accelerometrar.