About / Advertise
Låt den ena av de två speglar som skapar en laserkavitet dubblera som mikrofonmembran, då blir ljusvåglängden ett mått på ljudets frekvens. Lösningen har potential att bli lika bra som det mänskliga örat och håller på att kommersialiseras av det Härnösandsbaserade uppstartsbolaget Lumiary som tillsmans med sju partners beviljats 40 miljoner under fyra år av Europeiska innovationsrådet (EIC) och den schweiziska staten.
– Med lika bra som det mänskliga örat menar vi 0 dB(A) SPL självbrus, 20 kHz bandbredd och 130 dB SPL overload point. Det existerar inga sådana mikrofoner idag, inte ens studiomikrofoner, säger Per Grön som grundade bolaget i april 2022 och arbetar med bolagets första anställda, Andreas Lundström.
Idén fick han några år tidigare när han arbetade som programmerare på Google i Zürich.
 |
| Pär Grön |
– Jag lekte med lasersensorer och försökte göra en elgitarrpickup när jag upptäckte tekniken som vi jobbar med nu.
Förra våren flyttade han till Härnösand och började arbeta heltid med mikrofonen. Nyligen fick företaget en miljon kronor i stöd av Vinnova för att ta fram en prototyp som ska vara klar sommaren 2024.
– Jag har själv investerat mer än så redan, men mina pengar räckte inte till att ta fram en färdig prototyp. Jag är jätteglad för Vinnovapengarna, annars hade vi kanske behövt lägga ned.
Med start i februari kommer Lumiary att samordna och leda det fyraåriga projektet PIONEAR, som involverar sju europeiska samarbetspartners inom elektronik, forskning och utveckling. Projektet har beviljats sammanlagt 3,65 miljoner euro i stöd från Europeiska innovationsrådet (EIC) och schweiziska staten.
Målet är att ta fram en prototyp.
– Med prototypen kommer vi att kunna visa tekniken för potentiella kunder och välja vilken sorts mikrofon vi ska göra först. Det skulle kunna bli till exempel en mätmikrofon eller en mikrofon för inspelning av klassisk musik.
På längre sikt är ambitionen att göra mikrofoner för konsumentelektronik baserade på mikromekanik. Men miniatyrisering och massproduktion kräver stora investeringar.
– Jag känner till tre startups som gör det: Sensibel, Vesper och Soundskrit. De har alla behövt mer än 150 miljoner kronor i investering för att ta fram sin första produkt. Vi kommer att börja med dyrare och större modeller för att inte behöva så mycket pengar för att komma igång.
Exakt var priset kan tänkas hamna är för tidigt att säga.
– Jag tror att vi kommer att sälja vår första produkt för cirka 25 000 kr, och sedan optimera våra produktionsmetoder för att sänka kostnaderna.
Den mest uppenbara fördelen med tekniken är lägre brus. I vissa användningsområden är det direkt användbart, till exempel för inspelning av orkestrar där mikrofonerna är placerade på förhållandevis stort avstånd, men det går också att designa system som byter lågt brus mot andra fördelar, till exempel mer riktad upptagning. Det är användbart till exempel för ljud för TV och film.
Mikrofonen passar också olika typer av säkerhetstillämpningar.
– Med 20 dB lägre brus kan du höra en punktkälla som en drönare tio gånger längre bort. Att höra ljud på håll är också användbart för övervakning av havsbotten, exempelvis kablar, säger Per Grön.
Miniatyriserade Mems-mikrofoner är den typ av mikrofon där tekniken har störst potential.
– Det finns många olika användningsområden där Mems-mikrofoner är begränsade av brus. Mikrofonbrus gör så att röststyrd elektronik har svårt att höra kommandon om man är en bit bort, till exempel i rummet intill. Brus är också ett stort problem för hörapparater, säger Per Grön.
 Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.Prenumerera kostnadsfritt! |
Det första man tappar med nedsatt hörsel är förmågan att uppfatta var ljud kommer från och att sortera bort bakgrundsljud från andra riktningar.
– Eftersom de mikrofoner som används i hörapparater idag har ungefär 20 dB mer brus än ett friskt öra kan de aldrig fullt kompensera för en nedsatt hörsel. Med vår mikrofon kommer användare av hörapparater kunna höra vad som sägs i stökiga miljöer mycket bättre än idag.
Mäter frekvens, inte amplitudLumiary arbetar med en ny patentsökt mätteknik som bolaget kallar för kromometri.
– Vi har i efterhand hittat ett par gamla vetenskapliga artiklar där de testat något liknande, men de lyckades inte få det att fungera särskilt bra för de missade viktiga detaljer som krävs för att få bra prestanda. Jag vet inte att någon annan bygger sensorer av den här typen, säger Per Grön. Det vanliga i mikromekaniska mikrofoner är att använda två plattor som etsats fram och sedan mäta kapacitansen mellan dessa. Tekniken används i bland annat mobiltelefoner och smarta högtalare men har ett antal nackdelar. För att få så stor kapacitans som möjligt behöver plattorna vara nära varandra, men det skapar ett luftmotstånd som dämpar membranrörelser. Detta motstånd orsakar ett temperaturberoende mekaniskt brus som uppstår på samma sätt som termiskt brus i elektroniska resistorer. För att minska luftmotståndet gör man hål i den platta som inte är membranet, men det sänker kapacitansen. För varje design finns ett optimalt antal hål att borra som balanserar det mekaniska bruset och det elektroniska bruset. – Detta brus sätter en gräns för hur bra dagens mikrofoner kan bli, och det finns inget bra sätt att bli av med det i en kondensatormikrofon. I vår sensor har vi ingen andra kondensatorplatta så den bruskällan finns inte, säger Per Grön. Mems-mikrofoner har dessutom problem med damm vilket leder till att plattorna med tiden inte kan röra sig helt fritt. En alternativ lösning är att bara ha en platta och läsa ut rörelserna med laserljus och interferometri. Det gör exempelvis det norska uppstartföretaget Sensibel som uppnår cirka 7 dB lägre brus än vanliga Mems-mikrofoner. – Det är kromometrin som gör oss annorlunda. Vårt mål är 21 dB lägre brus än den bästa Mems-mikrofonen som finns idag. Hjärtat av Lumiarys mikrofon är en laser där en av speglarna i laserresonatorn utgör mikrofonmembranet. När mikrofonmembranet utsätts för ljud så ändras resonatorns längd vilket i sin tur modulerar laserns våglängd. Man kan därför se lasern som en FM-sändare men med en bärfrekvens på 350 THz istället för cirka 100 MHz som används för vanlig rundradio. Genom att mäta våglängden går det sedan att återskapa ljudet i digital form. På grund av att laserljus har ett väldigt smalt spektrum, man kan se det som att färgen är väldigt ren, går det att detektera mycket små väglängdsförändringar, och därmed mycket svaga ljud. Eftersom fotodioder som konverterar ljus till en elektrisk signal mäter ljusintensitet, inte färg, går det inte att mäta färgen direkt, utan färg måste kodas om till intensitet. Lumiary använder ett optiskt mikrochip med ett system av så kallade Mach-Zehnder-interferometrar för uppgiften. – Det optiska chippet tar in laserljus med varierande färg och emitterar ett flertal signaler med varierande intensitet. Färgen kodas om till fas i flera olika kvadratursignaler. Vi har designat chippet så att vi kan använda flera AD-omvandlare av SAR-typ med låg upplösning istället för en enda omvandlare av Delta-Sigma-typ, säger Per Grön. Lumiarys optiska mikrochip har två stora fördelar: För det första är de SAR-konverterare som används upp till 100 gånger mer strömsnåla än Delta-Sigma-konverterare för ljud. Den andra fördelen är att den lägre AD-konverterarupplösningen gör det möjligt att använda mycket svagare laserljus utan att begränsas av optiskt skottbrus. – Vi kan konvertera den frekvensmodulerade signalen från lasern med över 130 dB omfång med bara en halv milliwatt laserljus. Med interferometri skulle det behövas mer än 50 mW, orealistiskt starkt för en miniatyriserad mikrofon. I det sista steget bearbetas utsignalerna från AD-omvandlaren till en digital representation av ljudet. I den befintliga uppställning används en PC för uppgiften men planen är att byta ut den mot en FPGA vilket ger korta fördröjningar och låg effektförbrukning. I framtiden hoppas företaget kunna utveckla andra typer av sensorer än mikrofoner. – Kromometri är egentligen en allmän teknik för att mäta tiden det tar för ljus att röra sig en kort sträcka, upp till cirka en millimeter, med mycket hög upplösning, i storleksordningen 10-21 s. Det går att mäta många olika saker med kromometri, till exempel elektrisk spänning, acceleration eller rotation. Det går också att göra kemiska och biokemiska mätningar av gaser och vätskor. Det finns mycket kvar för Lumiary att utforska. |
