Microfoanele MEMS continuă să îmbunătățească comunicarea om – dispozitiv
Vocea este modalitatea de a transmite repede tot ce se află în mintea oamenilor, sunetul fiind cea mai naturală formă de comunicare. Acum, vocea devine din ce în ce mai relevantă într-o lume digitalizată, ajutând oamenii să-și extindă comunicarea și cu dispozitivele de zi cu zi. Domeniul dispozitivelor de captare audio este în expansiune rapidă.
Tehnologia microfoanelor devine tot mai importantă pe măsură ce crește numărul aplicațiilor și se îmbunătățesc caracteristicilor audio. Trebuie luați în considerare diferiți factori pentru o varietate de aplicații, variind de la calitatea audio, la robustețea în mediu umed, la praf, la variații extreme de temperatură, până la dimensiune și costuri. Firmele care produc senzori, dezvoltă și perfecționează portofoliul de microfoane MEMS, având variații de la modele low-cost, la produse care oferă cele mai înalte niveluri de performanță. Microfoanele MEMS cu o singură placă de bază sunt robuste și rentabile, dar au performanțe acustice limitate, în timp ce dispozitivele MEMS cu placă duală de bază (DBP – Dual Backplate) oferă o acustică îmbunătățită. Tehnologia cu membrană duală (SDM – Sealed Dual-Membrane) combină cea mai înaltă performanță acustică (SNR până la 75 dB) cu o robustețe ridicată (grad de protecție IP57).
Senzorii precum microfoanele MEMS sunt elemente cheie ale tendinței către comunicarea facilă om-mașină. Potrivit unui raport publicat de SAR Insight & Consulting ( https://www.sarinsight.com ), aproape 6 miliarde de dispozitive ar trebui să aibă interfețe vocale care să susțină funcții precum declanșatoare vocale, biometrie vocală și asistenți digitali încorporați, până în anul 2023. Actuala criză Covid-19 a evidențiat două domenii în care microfoanele de performanță pot juca un rol cheie în dezvoltarea de soluții sofisticate: întâlniri online cu audio de înaltă calitate și monitorizarea sănătății. Videoconferința a devenit principala modalitate prin care angajații pot comunica cu colegii lor, funcțiile audio avansate putând ajuta la reducerea distanței percepute între prieteni și colegi, în momentele în care oamenii nu se pot întâlni personal.
În ceea ce privește calitatea slabă, ce ar deranja mai mult: o imagine neclară sau doar auzirea unei părți din fiecare cuvânt? Funcția audio este adesea observată numai atunci când e de calitate slabă. Și odată ce ne-am obișnuit cu buna calitate, scopul principal este ca vocea fiecărui vorbitor să fie reprodusă cât mai natural posibil. O nouă clasă de microfoane performante deschide calea pentru apeluri video mai inteligente și o serie de alte caracteristici. Camerele inteligente pot panorama și mări persoanele și obiectele pentru a ține pasul cu dinamica dialogului. De asemenea, pot pivota automat pentru a ține pe toată lumea la vedere. Sunetul inteligent îmbunătățește vocea celui care vorbește, reducând în același timp zgomotul de fundal. Pentru a îmbunătăți nivelurile de performanță, microfoanele MEMS de înaltă performanță sunt din ce în ce mai combinate cu funcții avansate de procesare audio, cum ar fi separarea sursei oarbe sau formarea fasciculului pentru a localiza poziția utilizatorului și a estompa sunetele de fundal. Sistemele de conferințe video de astăzi sunt unități complet integrate, care includ un codec, afișaj, microfoane pentru cameră și difuzoare.
Performanța microfonului. Ce sunt microfoanele de înaltă performanță? Care sunt parametrii importanți ai microfonului și care sunt relevanți pentru diferite cazuri de utilizare? Fiecare microfon este capabil să înregistreze o serie de niveluri de presiune sonoră (SPL); aceasta este gama dinamică a unui microfon. Limita superioară a intervalului dinamic este definită ca punctul de suprasarcină acustică (AOP), în timp ce limita inferioară este definită de zgomotul propriu al microfonului. Un microfon poate prelua numai semnale cu un SPL deasupra zgomotului său. Acest prag inferior este cunoscut sub numele de „podea de zgomot” a unui microfon și definește raportul semnal-zgomot (SNR). Un microfon nu poate înregistra niciun sunet sub podeaua sa de zgomot. Un microfon cu un nivel de zgomot de 30 dB SPL, de exemplu, nu poate capta o șoaptă umană la 25 dB amplitudine SPL. Prin urmare, microfoanele cu un SNR mai mare sunt bine potrivite pentru a prelua semnale audio cu amplitudine redusă. SNR și AOP sunt parametri importanți pentru evaluarea performanței individuale a microfonului. Dar, majoritatea dispozitivelor folosesc astăzi mai multe microfoane într-o matrice. Smartphone-urile au cel puțin patru microfoane, în timp ce căștile TWS (True Wireless Stereo) încorporează până la șase microfoane (trei pe cască). În sistemele de conferințe sunt și mai multe microfoane. Ariile de microfoane pot conține până la 32 de microfoane. Performanța unei matrice de microfoane depinde de combinația de caracteristici individuale de microfon și caracteristici realizate prin poziționarea în matrice.
Caracteristicile individuale includ AOP și SNR, în timp ce caracteristicile matricei combinate includ factori precum potrivirea sensibilității (dacă toate microfoanele au aproape aceeași sensibilitate) și potrivirea fazelor (dacă toate microfoanele au un răspuns de fază similar). Aceste caracteristici se combină pentru a îmbunătăți captura audio generală și pentru a se asigura că matricea produce un sunet de calitate superioară și are niveluri mai mici de zgomot de sine – comparabile în multe moduri cu vizionarea unui film cu rezoluție normală sau full HD.
Asistenții personali vocali devin standard în telefoanele inteligente, difuzoarele inteligente, dispozitivele mobile și purtabile, ridicând cerințele pentru microfoanele MEMS (SNR, AOP, beamforming, ANC, consum redus de putere, mereu pornit etc.) Am putea spune că microfoanele MEMS se încadrează în noul termen VIoT (Voice Internet-of-Things)
Arii de microfoane. Microfoanele MEMS au un răspuns omnidirecțional și sunt alese pentru o mare varietate de aplicații, iar prioritățile de proiectare includ rentabilitatea, fiabilitatea, dimensiunile reduse și consumul redus de energie. Microfoanele MEMS sunt realizate folosind procese de fabricație a semiconductoarelor, deci parametri precum sensibilitatea și răspunsul în frecvență ale microfoanelor pot fi foarte apropiate, aceasta fiind o cerință importantă atunci când se construiesc arii de formare a unui fascicul.
Beamforming sau formarea unui fascicul sau filtrare spațială este o tehnică de procesare a semnalelor transmise prin unde, pentru recepționarea direcțională a semnalului. A apărut în domeniul radarului, apoi s-a aplicat în rețele de telefonie mobilă, iar acum în audio. În cazul undelor sonore, o matrice de formare a unui fascicul ce conține mai multe microfoane MEMS poate intensifica sunetele provenite dintr-o anumită direcție și atenua altele.
Beamforming implică procesarea ieșirii mai multor microfoane (sau, mai multe matrice de microfoane) pentru a crea un model de preluare direcțională. Pentru aplicații de înregistrare și sunet ‚live’, este important ca microfonul să preia sunetul dintr-o singură direcție, cum ar fi de la o voce sau un instrument și să atenueze sunetul care este în afara axei principale. Beamforming este implementat în acest design folosind întârzieri analogice, un filtru de egalizare și un amplificator sumator.
Pe scurt, semnalele captate de mai multe microfoane sunt combinate pentru a produce unul mai puternic pe o direcție.
Matricea de microfoane oferă semnal de înaltă calitate și inteligibil din locația sursei dorite, atenuând în același timp zgomotul interferent. Comparativ cu un singur microfon direcțional, matricea de microfoane Beamforming ne permite să localizăm și să urmărim sursa de semnal.
TDK oferă soluții optime și cuprinzătoare pentru o gamă largă de aplicații de sunet.
TDK are, astăzi, cel mai larg portofoliu de microfoane MEMS de pe piață, iar noile tehnologii sunt adaptate pentru a răspunde oricăror cerințe de proiectare.
Multe dispozitive diferite gestionează sunetul în jurul nostru: dispozitive audio-vizuale, smartphone-uri, PC-uri și diverse electronice de larg consum de care suntem legați informațional folosind sunetul. Au apărut difuzoare inteligente și alte produse care pot fi comandate prin voce.
TDK a fost cunoscut inițial ca implicat în sunet, prin casetele audio. TDK oferă o gamă largă de produse în domeniul dispozitivelor electronice pentru aplicații sonore: difuzoare piezo, microfoane MEMS, buzzere piezoelectrice și electromagnetice, filtre supresive care controlează zgomotul și filtre ESD.
TDK InvenSense ICS-40800. Microfon MEMS Analogic, zgomot ultra redus. Produs premiat.
ICS-40800 include un microfon MEMS, un convertor de impedanță și un amplificator de ieșire. ICS-40800 are două porturi de sunet, situate în partea de jos și de sus a ansamblului. Portul dual permite microfonului să prezinte o sensibilitate variabilă la sunet pe baza unghiului de sosire. Portul de sus poate fi închis, rezultând o sensibilitate omnidirecțională la sunet.
ICS-40800 are 70 dB SNR și toleranță de sensibilitate de ± 1 dB, fiind o alegere excelentă pentru aplicații de control vocal și de vorbire pe câmp îndepărtat. ICS-40800 este disponibil în capsula de montare pe suprafață de 4,00×3,00×1,20 mm.
Aplicații: Tablete, Sisteme de teleconferință, Camere foto digitale și camere video, Căști de comunicare, Securitate și supraveghere, Matrice de microfoane, Control și activare vocală.
TDK InvenSense T5838. Microfon MEMS Digital, ieșire digitală cu modulare a densității impulsurilor (PDM), dispozitiv cu cel mai mic consum de putere din lume, cu funcția de detectare a activității acustice.
T5838 are 68dB SNR, 133dB AOP, răspuns în frecvență: 35 Hz la > 20 kHz. Dispune de „detectarea activității acustice” – Acoustic Activity Detect (AAD), fiind o cerință la Smartphone-uri și dispozitive IoT cu senzorii ‘AlwaysOn’ de putere mai mică. Funcția de activare la sunet e configurabilă, la consum de putere de până la 20 µA. Capsula standard de 3,5 × 2,65 × 0,98 mm, e optimizată pentru smartphone-uri, arii de microfoane, difuzoare inteligente, căști și multe altele. Consumul în Modul redus este 130 µA, iar în Modul de înaltă calitate e 330 µA. Modul Sleep: consum 9 µA. Rejecție mare a zgomotului sursei de alimentare (PSR): −114dB FS.
Principalele aplicații: Smartphone, Arii de microfoane, Boxe inteligente, Căști, Tablete, Notebook, PC.
https://invensense.tdk.com/products/T5838
TDK InvenSense ICS-40638. Microfon MEMS Analogic. Ideal pentru aplicații de anulare a zgomotului din medii dificile, în dispozitive de consum și industriale. Noul microfon ICS-40638 este ideal pentru aplicații portabile și conectate la distanță, în special în medii exterioare și dure, cu temperaturi până la +105°C și zgomote puternice, cu punctele de suprasarcină acustică ridicate. ICS-40638 include un microfon MEMS, un convertor de impedanță și un amplificator de ieșire diferențială. Alte specificații de înaltă performanță includ o toleranță strânsă de sensibilitate ±1dB și o imunitate sporită atât la interferența RF radiată, cât și la cea condusă.
InvenSense ICS-40638 și placa de evaluare ICS-40638 (EVB) sunt disponibile de la mai mulți distribuitori din întreaga lume. Informații suplimentare și note de aplicație: https://invensense.tdk.com/products/analog/ics-40638/
Notă. Acoustic Activity Detect – detectarea activității acustice – este o nouă caracteristică de procesare la nivele de putere ultra-mică, în care microfonul monitorizează mediul acustic și trezește SoC sau procesorul aplicației atunci când este detectată activitate. Este disponibil cu trei moduri de funcționare începând de la 20 µA curent total consumat de microfon. Oferă utilizatorului programabilitatea pentru a aplica diverse filtre și praguri pentru performanțe optimizate la fiecare aplicație. De asemenea, acceptă ieșiri de lățime de bandă de 8 kHz pentru sistemele „AlwaysOn”, care necesită zona tampon audio pentru procesarea în cloud. T5838 introduce niveluri de consum de putere extrem de mici, performanțe acustice de vârf și detectarea activității acustice, într-un singur microfon cu ieșire PDM.
Finaliștii Best in Sensors Awards 2020
Odată cu dezvoltarea exponențială a IoT și a dispozitivelor conectate, precum și cu avansarea rapidă în inteligența artificială, în tehnologiile autonome și computerul de margine, există o nevoie din ce în ce mai mare de senzori de toate tipurile, cu mai multe capacități, game și performanțe mai mari și un cost mai mic. Din grupul de finaliști din anul 2020, pentru cei mai buni senzori s-au ales produse inovatoare ce prezintă progresele impresionante în tehnologia senzorilor într-o diversitate de aplicații. Judecătorii competiției din anul 2020 au fost membrii comitetului consultativ Sensors Expo, Roger Grace și Randy Frank, și editorii Fierce Electronics, Matt Hamblen și Karen Field.
Competiția de premii a constat din 11 categorii pentru produsul cel mai inovator, cu noi categorii pentru tehnologiile COVID-19 și AI (Artificial Intelligence) adăugate în 2020. Criteriile de evaluare au fost:
- Valoare pentru piață
- Impact: importanța problemelor pe care le abordează și le rezolvă
- Unicitatea designului
Lista completă a finaliștilor:
AI / Învățarea automată
Maxim Integrated – MAX78000, Cip accelerator pentru rețea neuronală
On Semiconductor – AR0234CS, Senzor de viziune
Automobile / Vehicule autonome
Wells Vehicle Electronics – Senzor de poziție rotativ
Algolux – Eos Embedded Perception Software
Tehnologii COVID-19
TDK InvenSense – Kit de proiectare cu ultrasunete pentru referință de distanțare socială
Infineon Technologies Americas Corp. – XENSIVTM PAS CO2, Senzor de mediu
Achiziție de date și analize
IFOS Inc. – I*Sense, Interogatori distribuiți pentru detectarea fibrelor optice
TDK InvenSense – SmartBug, Soluție multisenzor compactă, fără fir
IoT industrial
Sisteme de fizică aplicată – ACCEL Model 40 Nanoacc, Accelerometru
LG Uplus – Dispozitiv pentru detectare de Antenă subterană și Excavări
Industrial
Texas Instruments – TMCS1100 și TMCS1101, Senzori de curent cu efect Hall cu drift zero
STMicroelectronics – ISM330DHCX – Modul inerțial cu nucleu de învățare automată pentru aplicații industriale
IoT
TDK InvenSense – TDK ICS-40800, Microfon direcțional MEMS
PIera Systems – Piera-1, Senzor inteligent cu numărare de particule pentru monitorizarea calității aerului
Medical
Fujitsu Components America – Modul senzor radar Doppler 24GHz
Sensirion – SFM3019, Debitmetru de masă
ams AG – AS7038RB, Senzor de semne vitale
MEMS
Menlo Micro – Ideal Switch, Comutator micro-mecanic ermetic
Infineon Technologies Americas Corp. – XENSIVTM PAS CO2, Senzor de mediu
Dispozitive Mobile
SWIR Vision Systems Inc. – Acuros CQD SWIR, Senzor IR cu undă scurtă
ams AG – TMD3719 ALS/Color, Senzor de proximitate și pâlpâire
Dispozitive Purtabile
Shimmer Research Ltd – Verisense, Platforma de detectare portabilă, observații clinice în timp real
TracPatch – TracPatch Spine™, Sistem de senzori de suprafață, îngrijire medicală personală.
Notă. Edge Computing – Calcul Edge – Calcul de margine – este prelucrarea computerizată și stocarea datelor senzorilor departe de nodurile centralizate și aproape de marginea logică a rețelei, mai aproape de locația în care este nevoie, pentru a îmbunătăți timpii de răspuns și a economisi lățimea de bandă. Poate fi denumită o arhitectură de rețea IT distribuită ce permite calculul mobil pentru datele produse local. Avantajele sunt foarte mari: (1) securitatea și secretizarea datelor păstrate în cloud, (2) rețeaua e scalabilă deoarece cuprinde dispozitive cu performanțe și constrângeri energetice diferite, (3) fiabilitatea serviciilor prin păstrarea funcțiilor rețelei dacă se defectează noduri din rețea, (4) viteza de calcul și comunicație mai mari decât reacțiile umane, (5) eficiența prin poziționarea resurselor de calcul sofisticat în timp real și elemente de inteligență artificială lângă utilizatorul final. Utilizările inițiale ale arhitecturii Edge Computing sunt pentru recunoașterea facială în timp real, jocuri în cloud, aplicații video redate în dispozitive mobile. Alte aplicații notabile includ autovehicule conectate, mașinile autonome, orașele inteligente, Industria 4.0 (industria inteligentă) și sistemele de automatizare a locuințelor.
TDK InvenSense SmartBug™
SmartBug este un modul compact, preprogramat, de colectare a datelor fără fir, care integrează 6 senzori: accelerometru, giroscop (IMU), magnetometru, senzor de presiune, senzor de temperatură și senzor de umiditate – pentru a monitoriza de la distanță și cu exactitate datele în aplicațiile IoT.
Colectarea de date și ieșiri specifice aplicației senzorilor în IoT se face prin Bluetooth® Low Energy (BLE) și Wi-Fi®. Modulul oferă înregistrarea autonomă a datelor în card SD pentru aplicații care derivă din volume mari de date. Proiectat pentru a fi utilizat în etapa de prototipuri / dezvoltare, kitul permite colectarea wireless a datelor brute ale senzorilor și informații inteligente bazate pe algoritmi pentru cercetare, studii clinice, educație sau testări industriale. Utilizatorii pot lipi dispozitivul de orice obiect care urmează să fie monitorizat pentru a primi date exacte de la senzorii TDK, precum și informații semnificative prin algoritmii săi. Analiza de la distanță se face cu precizie, obținând date inteligente, inclusiv ieșiri cuaternare (reprezentând orientări spațiale și rotații ale elementelor în spațiul tridimensional), unghiuri, evenimente de mișcare, presiune diferențială și date brute ale senzorilor.
Algoritmii IoT des folosiți de modulul wireless includ: monitorizare deschidere / închidere ușă, monitorizare filtru HVAC, direcția dinamică a unui aspirator robot, monitorizarea activelor, monitorizarea activității unui pacient și monitorizarea unui Air Mouse.
TDK InvenSense SmartBug are o formă de buburuză cu o bază plată și gabarit de 50×36,6×18 mm. Senzorul de mișcare are evenimente încorporate, cum ar fi atingerea, înclinarea, trezirea la ridicare, trezirea la mișcare.
Caracteristici
- Soluție out-of-the-box, unică pentru diverse aplicații
- Senzori: IMU (unitate de măsurare inerțială), magnetometru, presiune, temperatură, umiditate și ultrasunete
- MCU Arm Cortex M4, 32 de biți, 64MHz,
- Conectivitate wireless Bluetooth Low Energy (BLE) și Wi-Fi
- Baterie reîncărcabilă (290mAh)
- Dimensiuni 50×36,6×18 mm
- Interfață USB pentru date fiabile și randament ridicat
- Streaming wireless de date cu senzori multipli și înregistrare fișiere prin interfață grafică Win 10
- Înregistrare autonomă de date de la mai mulți senzori de pe un card SD
- Evenimente încorporate ale senzorului de mișcare, cum ar fi atingere, înclinare, trezire la ridicare, trezire la mișcare și pedometru
- Ieșiri dedicate prin algoritmului senzorului ce oferă mai multe aplicații IoT
- Ieșiri inteligente: quaternions (ieșiri cuaternare – reprezentând orientări spațiale și rotații ale elementelor în spațiul tridimensional) yaw, pitch, roll, ieșire de presiune diferențială, ieșiri de stare deschidere/închidere ușă, evenimente de monitorizare a activelor, ieșiri APEX IMU, ieșiri de Air Mouse și date despre mărimea deplasării / distanță
- Ieșiri brute ale senzorului: accelerometru, giroscop, magnetometru, senzor de presiune, senzor de temperatură, senzor de umiditate și senzor de proximitate ToF cu ultrasunete
- Conector pentru mai multe carduri de expansiune
- Opțional: Placă de expansiune ce include Wi-Fi, slot pentru card SD și un senzor de gamă de deplasare, cu ultrasunete bazat pe MEMS Time- of-Flight (ToF)
SmartBug folosește sistemul multiprotocol System-on-Chip (SoC) nRF52840 produs de Nordic Semiconductor pentru a retransmite date de la senzori multipli și algoritmi, către aplicația Windows 10 / GUI, prin conectivitate Bluetooth LE. Soluția permite OEM-urilor și dezvoltatorilor de produse IoT să înțeleagă mai bine semnăturile reale ale aplicațiilor, variațiile de mediu și comportamentele algoritmilor senzorilor pentru a dezvolta algoritmi eficienți și a evalua ce tipuri de senzori vor fi cele mai potrivite în cazuri de utilizare specifice. Amănunte: https://www.nordicsemi.com/News/2020/08/InvenSenses-SmartBug-employs-Nordics-nRF52840
Aplicații tipice
- Monitorizarea activității unui pacient (controlul echilibrului și analiza mersului)
- Detectare inteligentă a încuierii ușii
- Monitorizarea activelor
- Monitorizarea și alertarea filtrului HVAC
- Biblioteca de mișcare aeriană
- Detectarea mișcării aspiratorului robot
Notă. Air Mouse este un dispozitiv de Telecomandă conectat fără fir prin Bluetooth la dispozitiv controlat (ex. receptor TV) și are senzori de mișcare instalați în el. Puteți flutura mouse-ul în aer și indicatorul de pe ecran se deplasează în funcție de mișcare.
Placă de expansiune TDK InvenSense SmartBug™
Placa de expansiune TDK InvenSense SmartBug™ este opțională.
Placa include un modul Wi-Fi și un slot pentru card SD pentru a ajuta utilizatorii să transmită și să stocheze date din SmartBug, plus un senzor MEMS cu ultrasunete ToF (Time-of-Flight).
Datele și ieșirile pot fi vizualizate, transmise în flux și înregistrate cu ușurință pe o aplicație Windows 10, care poate fi descărcată gratuit de la Microsoft. Aplicația oferă o mare flexibilitate pentru a achiziționa date prin Bluetooth Low Energy, Wi-Fi sau USB, în funcție de alegere în utilizare. Funcția de înregistrare pe card SD permite, de asemenea, înregistrarea autonomă a datelor (până la 32 GB) fără o aplicație Windows 10.
Placă de expansiune TDK InvenSense SmartBug™, opțional cu senzor cu ultrasunete ToF Chirp atașat.
Optimizarea puterii
SmartBug folosește funcția TDK „Wake on Motion” pentru a trezi dispozitivul și a începe comunicația fără fir. Dispozitivul se oprește atunci când nu există mișcare și nu există o conexiune stabilită cu gazda, permițând optimizarea consumului de putere și o durată mai lungă de viață a bateriei reîncărcabile Li-Po de 290 mAh.
Despre InvenSense
InvenSense, Inc., o companie a grupului TDK, este un furnizor mondial de platforme de senzori MEMS. Viziunea InvenSense despre Sensing Everything® vizează electronica de larg consum și domeniile industriale cu soluții integrate de mișcare, sunet și ultrasunete. Soluțiile InvenSense combină senzori MEMS (micro-sisteme mecanice și electrice), cum ar fi accelerometre, giroscoape, busole, microfoane și senzori cu ultrasunete de detectare 3D, cu algoritmi și firmware proprietare care procesează, sintetizează și calibrează inteligent ieșirea senzorilor, maximizând performanța și precizia. Podusele InvenSense de urmărire a mișcărilor, ultrasunete, audio, amprentă digitală, platforme și servicii de localizare pot fi găsite în produsele mobile, purtabile, casa inteligentă, industriale, autovehicule și IoT. InvenSense a devenit parte a MEMS Sensors Business Group din cadrul noii înființate Sensor Systems Business Company din TDK Corporation în 2017. În februarie 2018, Chirp Microsystems s-a alăturat familiei InvenSense prin achiziția sa de către TDK. InvenSense are sediul central în San Jose, California și are birouri în întreaga lume
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură apro vizionarea cu produse TDK, STMicroelectronics, Infineon și alți producători.
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro