声波也可以发电?新一代超长续航微型麦克风颠覆问世!

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2018-02-22 13:18:43

随着人们的生活质量不断提高,智能家居也逐渐走进了大家的视线。而通常智能家居最大的亮点就在于一项十分吸引人的技术――语音控制,而这个通常被称作“麦克风”的便携式语音接口配件就充当了智能家居系统的“嘴巴”和“耳朵”,例如亚马逊的蓝牙音箱“Tap”和多普勒实验室的无线耳机“HereOne”。通过与手机上不同功能App的协作,它们能给我们提供智能语音服务。只要对着它们说话,就能控制它们播放音乐、上网以及接听电话。

但是,便携所带来的不只是方便,电池续航问题如影随形,而且设备还不好打理,粘灰和受潮都会使它们的性能大打折扣。这也是众多限制它们应用的主要因素之一。

来自波士顿的初创公司“Vesper”想到了应对之策,他们设计开发了一种能够利用声波发电的微型麦克风,续航能力比常规的麦克风强得多。具体而言,这种麦克风是基于MEMS(Micro-electromechanical Systems微型机电系统)的微纳电子产品,采用了微型的悬臂结构,能利用压电效应对声波进行发电。

另一方面,MEMS有着良好的微纳电子器件级别的封装,一般的灰尘和潮气都不会对它的性能造成影响。也就是说,这样的微型麦克风完美地解决了文章开头提出的问题。

Vesper表示,这样的产品将在今年晚些时候投入使用,用于便携式的语音接口配件。到时候,我们就不必在使用过程中受到因为续航问题以及保养问题带来的困扰。

为了测试这种麦克风的抗恶劣环境能力,Vesper还将它们扔到了啤酒和苏打水中、浸泡在玉米食用油中加热、放置在模拟沙尘环境中还有从高空掉落。可以看见,这样只有芝麻大小的麦克风却有着惊人的抗打击能力,它们甚至有三防的特性:防水-防尘-防冲击。

无论你在什么环境中测(rou)试(lin)它们,它们的性能都没有受到丝毫影响,而常规的麦克风此时恐怕早就不堪重负、香消玉殒了。

压力测试

Vesper将这种微型麦克风附在了金属块上面,然后设法使它们一同下落来测试麦克风抗冲击的能力。实验中,冲击加速度相当于G。

除了外界的影响,常规麦克风本身的内部结构也存在瑕疵,从根本上影响了麦克风的使用寿命。具体来说,普通的麦克风一般是采用极化膜和背极靠在一起的结构,中间留有一定的距离。极化膜在制作时就被注入了一定的电荷,且电荷量在长时间内应保持不变。

在声波的作用下,极化膜随着声音震动,因此和背极的距离也跟着变化,也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化。不过,极化膜和背极之间也并不是真空,而是存在一定量的空气,如果空气中存在很多颗粒或者水蒸气,那么麦克风的性能则会大打折扣。即使有些公司采用了网状结构和橡胶膜来保护极化膜和背极,这样的情况还是时常出现。

而Vesper将极化膜和背极的结构换成了单层的氮化铝悬臂结构。检测声波时,悬臂将会弯折,就像跳水运动员站上三米板一样,这样的压力会转化成为电信号,然后与声音相对应起来。

MEMS麦克风示意图

Vesper还将这样的压电效应利用起来,将其中产生的电用来启动麦克风,而当声波停止,麦克风将不再工作。相反地,传统的麦克风却不能使用这样的原理驱动系统的开关。对此,Vesper的首席技术执行官波比・利特瑞尔(Bobby Littrell)表示:“传统的麦克风需要一直处于打开状态并使用数字信号处理来接受声音信号,这就比我们的模式要更加耗电。其实,只要没声音,我们的系统就不会有任何动作。”

的确,这种“即开即停”的模式能够通过减少通态损耗使得整个系统变得更加节能。自然而然地,系统的续航能力就得到了很大提升。反观当今的电子产品,大都是需要按键启动按键停止,还要担心电池的寿命,这样的革新一下子就去除了这两个操作以及操作背后带来的不便。正是因为如此有竞争力的核心技术,Vesper公司最近获得了亚马逊公司为其职能家居产品设置的“Amazon’s Alexa”基金的资助。

不过,Vesper公司表示他们的产品能否出现在亚马逊的电子产品中还是未知数。其实,科学家早在二十世纪八十年代就开始了MEMS麦克风的设计和开发,但一直苦于找不到正确的设计以及材料,Vesper可以说是第一个成功将其商业化的公司。

Vesper 的麦克风性能这么好,用的材料也是十分超前――氮化铝,被列为第四代半导体材料,在高频、高效率、大功率微电子器件和深紫外光电探测器件等领域有着极为重要的应用前景。但是该材料的制备却成了制约基于氮化铝的电子元器件发展的主要因素。

马克・舍布拉克(Mark Sheplak)是来自佛罗里达大学的工学院教授,他专攻MEMS麦克风方向,他向我们详细解释了其中的缘由:“氮化铝探测器已经被开发出来很久了,但是大面积的稳定、低应力以及均匀性好的高质量氮化铝外延膜很难制备。而外延膜的质量对于麦克风的良好性能是极其关键的,例如高灵敏度和噪声等级。”

模拟沙尘测试

实验中采用硅尘以及压缩空气来在塑料箱内模拟沙尘环境,文中提及的Vesper的麦克风就置于塑料箱内。

不过也有人说,对于大多数消费级语音接口配件,传统的麦克风就已经很够用了,不需要这么高级且昂贵的科技。而且,对于价格十分敏感的器件厂商也因此对于Vesper的高科技望价兴叹。

对于Vesper麦克风的前景,佐治亚理工MEMS以及微系统科技研究中心的主任法郎克・阿雅琪(Farrokh Ayazi)表示:“消费电子产品很看重成本和价格。Vesper其实是有机会好好推广自己的产品,但是替代智能手机里的麦克风还是有一定难度,毕竟其中的麦克风厂家口碑已经建立起来了。”

市场研究公司“Yole Développement”也十分看好Vesper的发展,他们认为Vesper的高科技麦克风节能并且性能稳定,十分适合可穿戴电子以及智能家居。而据他们统计,全球的MEMS麦克风市场将接近10亿美金。

毫无疑问,Vesper也将在全球MEMS麦克风市场占得先机,他们开发的麦克风将在年末出现在美国消费电子产品中。