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

我們?cè)谥鞍l(fā)布的文章《解讀MEMS麥克風(fēng)技術(shù)與設(shè)計(jì)》中指出，MEMS麥克風(fēng)的需求是由客戶所要求的音頻功能驅(qū)動(dòng)的，如立體聲、語(yǔ)音識(shí)別、聲音指向性、噪音消除等。為了實(shí)現(xiàn)這些音頻特性，在最終問(wèn)世的產(chǎn)品中需要使用多個(gè)MEMS麥克風(fēng)來(lái)支持該功能。例如，最先進(jìn)的智能手機(jī)可能包含多達(dá)6個(gè)麥克風(fēng)。由于遠(yuǎn)程辦公的需求提升，對(duì)MEMS麥克風(fēng)的需求在一定程度上也加速提升。遠(yuǎn)程辦公和在線會(huì)議正在成為新常態(tài)，如果沒(méi)有好的語(yǔ)音輸入系統(tǒng)（即麥克風(fēng)），這些會(huì)議將不可能實(shí)現(xiàn)。

語(yǔ)音傳感器正被用于真無(wú)線立體聲 (True Wireless Stereo, TWS) 耳塞。這些耳塞之間可以無(wú)線連接，并與智能手機(jī)或其他藍(lán)牙設(shè)備連接。每個(gè)立體聲耳塞包含一個(gè)揚(yáng)聲器（未來(lái)可能是一個(gè)MEMS微型揚(yáng)聲器）和多個(gè)MEMS麥克風(fēng)。大多數(shù)高級(jí)TWS系統(tǒng)中，每個(gè)耳塞包含三個(gè)MEMS麥克風(fēng)：兩個(gè)外部麥克風(fēng)用于波束形成，一個(gè)內(nèi)部麥克風(fēng)用于主動(dòng)噪聲消除 (ANC)。因?yàn)閮蓚€(gè)外接麥克風(fēng)之間必須有一定的距離，所以典型的P型TWS耳塞會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)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(dòng)降噪 (ANC) 是無(wú)線耳塞的一個(gè)理想功能，它能成功地降低背景噪音和風(fēng)噪聲，但同時(shí)也會(huì)降低聲音接收。由于這個(gè)問(wèn)題，在語(yǔ)音通話時(shí)，ANC經(jīng)常被關(guān)閉[1]。為了克服這一局限性，一種新型的MEMS器件會(huì)通過(guò)骨骼和頭骨振動(dòng)直接捕捉聲音，它被稱為“語(yǔ)音拾取傳感器 (VPU)”[2]或“語(yǔ)音拾取加速計(jì)”[1]，簡(jiǎn)稱為“加速計(jì)”[3]，由一個(gè)具有MEMS麥克風(fēng)頻率特性的MEMS加速計(jì)構(gòu)成?；旧?，該器件是麥克風(fēng)和加速計(jì)的混合體。一個(gè)簡(jiǎn)化的VPU傳感器包括一個(gè)改良的MEMS麥克風(fēng)（麥克風(fēng)的膜片上附著一個(gè)質(zhì)量塊）和一個(gè)密閉的聲音端口（圖2）。

圖2：MEMS麥克風(fēng)（左）和語(yǔ)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(jìn)的語(yǔ)音檢測(cè)功能和背景噪聲免疫，VPU在主動(dòng)降噪應(yīng)用中還有一些其他優(yōu)勢(shì)：

● 支持輕敲檢測(cè)：這提供了一種交互方式來(lái)控制設(shè)備，例如輕觸一次可以增加揚(yáng)聲器音量，輕觸兩次可以降低音量；

● 語(yǔ)音打斷功能：即使在內(nèi)部揚(yáng)聲器播放音樂(lè)時(shí)，VPU也能拾取語(yǔ)音活動(dòng)，這意味著，即使在聽(tīng)吵鬧的音樂(lè)時(shí)，依然可以聽(tīng)到談話聲；

● 由于沒(méi)有使用或需要聲音端口，VPU可以被完全密封包裹起來(lái)，更好地保護(hù)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(shè)計(jì)平臺(tái)的一種工具，可用于設(shè)計(jì)MEMS麥克風(fēng)、加速計(jì)和VPU傳感器。MEMS+ VPU模型如圖3所示。該模型能準(zhǔn)確再現(xiàn)器件的非線性行為，這在電路和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。同時(shí)，該模型還完全參數(shù)化，支持多物理建模。目前，MEMS設(shè)計(jì)軟件的最新版本CoventorMP 2.0也已發(fā)布。該版本允許在MEMS設(shè)計(jì)中使用充電源，這是在實(shí)際配置中測(cè)試MEMS麥克風(fēng)和VPU的關(guān)鍵。CoventorMP中的每一項(xiàng)功能都可以用于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高度先進(jìn)的下一代語(yǔ)音檢測(cè)設(shè)備。

隨著新的應(yīng)用和采用語(yǔ)音傳感的新產(chǎn)品問(wèn)世，對(duì)MEMS麥克風(fēng)的需求將繼續(xù)增加。支持高級(jí)功能的新型基于MEMS的語(yǔ)音傳感器（如VPU），以及對(duì)新的、更好的語(yǔ)音感知解決方案的需求，將繼續(xù)推動(dòng)下一代MEMS麥克風(fēng)和基于MEMS的語(yǔ)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