fbpx
Wednesday, October 21Modern Manufacturing

MEMS ไมค์สำหรับ Smart Devices ยุคใหม่ สั่งงานง่าย ไม่หงุดหงิด



อินเตอร์เฟสสั่งงานด้วยเสียงเป็นที่นิยมมากขึ้น เช่น ลำโพงอัจฉริยะ หูฟัง อุปกรณ์สวมใส่ สมาร์ทโฟน ยานยนต์ ฯลฯ ไมโครโฟนแบบ MEMS จาก Infineon คือเทคโนโลยีที่มุ่งตอบโจทย์การใช้งานนี้โดยเฉพาะ

การสื่อสารกับอุปกรณ์ลำโพลงอัจฉริยะที่ใช้ไมโครโฟน Array ซึ่งปรับทิศทางการรับเสียงได้

การศึกษาวิจัยถึงเทคโนโลยีการผลิตและประยุกต์ใช้ Capacitive Microphone แบบ MEMS (หรือ Micro Electro-Mechanical System) ที่ Infineon เริ่มต้นขึ้นเมื่อเกือบสองทศวรรษที่ผ่านมาในปีค.ศ.1998 โดยเริ่มกับผลิตภัณฑ์กลุ่มยานยนต์ หลายปีถัดมาจึงมีการวิจัยพัฒนาอย่างกว้างขวางเพื่อผลิตแม่พิมพ์ไมโครโฟนบนซิลิคอน โดยใช้เทคโนโลยี Backplate* แบบแผ่นเดี่ยว (Backplate* หมายถึงแผ่นโลหะที่อยู่ด้านหลังไดอะแฟรมบนไมโครโฟนแบบคอนเดนเซอร์)

ความสำเร็จแบบก้าวกระโดดที่สำคัญเกิดขึ้นในปี ค.ศ.2012 เมื่อบริษัท Infineon เปิดตัวเทคโนโลยี Backplate แบบแผ่นคู่ที่ช่วยให้ไมโครโฟน MEMS แบบดิจิทัลมีประสิทธิภาพการทำงานสูงขึ้น พร้อมด้วยคุณสมบัติช้ันนำที่โดดเด่นกว่าคู่แข่งในท้องตลาด 

ก่อนอื่นเรามาเริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจพื้นฐานของไมโครโฟน MEMS (Micro Electro-Mechanical System) จากชื่อแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ของ MEMs ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วน ได้แก่ 

พลังงานจากคลื่นเสียงทำให้แผ่นเมมเบรนเกิดการสั่นสะเทือน และถูกแปลงให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้า

(i) โครงสร้างกลไกขนาดเล็กที่สั่นสะเทือนตามสัญญาณเสียงที่เข้ามา
(ii) ส่วนประกอบไฟฟ้าที่จะแปลงการสั่นสะเทือนทางกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า






ดังในรูปภาพด้านล่าง โครงสร้างทางกลไกถูกสร้างขึ้น โดย Backplate และแผ่นเมมเบรนบาง ๆ โดยแผ่นเมมเบรนจะถูกชาร์จให้กลายเป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าร่วมกับ Backplate เมื่อมีสัญญาณเสียงเข้ามาจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของความจุไฟฟ้าเนื่องจากการเคลื่อนไหวของแผ่นเมมเบรน จึงเกิดการแปลงสัญญาณออกมาเป็นแรงดันไฟฟ้าขาออก และเกิดการผลิตสัญญาณไฟฟ้า

ภาพตัดขวางแสดงให้เห็นส่วนประกอบของไมโครโฟน MEMS โดยทั่วไป

ไมโครโฟน MEMS ให้ประสิทธิภาพเสียงระดับสูงพร้อมทั้งประโยชน์ต่าง ๆ เพิ่มเติมไม่ว่าจะเป็นขนาดที่เล็ก ต้นทุนที่ต่ำ และใช้พลังงานน้อย จึงทำให้ไมโครโฟนประเภทนี้เป็นตัวเลือกที่มีความนิยมมากกว่า ECM (Electret Condenser Microphone) แบบธรรมดา นอกจากนี้ไมโครโฟนประเภทนี้ยังมีข้อได้เปรียบในเรื่องความน่าเชื่อถือสูง เนื่องจากทนอุณหภูมิระดับสูงและยังผลิตได้ง่ายด้วยกระบวนการประกอบแผงวงจรแบบ Reflow ทั่วไป

อุปกรณ์ Smartphone เป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญต่อการเจริญเติบโตอย่างก้าวกระโดดของตลาดไมโครโฟน MEMS ด้วยส่วนแบ่งทางการตลาดขนาดใหญ่ตามการใช้งาน อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการประยุกต์ใช้งานอินเตอร์เฟสที่เปิดใช้งานด้วยเสียงมากมาย ได้แก่ ลำโพงอัจฉริยะ ชุดหูฟัง อุปกรณ์สวมใส่ รีโมทควบคุม แล็ปท็อป ยานยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ และ Consumer Electronics มากมาย 

การมาถึงของ IoT และการขับเคลื่อนครั้งใหญ่สู่ยุค ‘smartification of anything – ความชาญฉลาดของทุกสรรพสิ่ง’ ได้กระตุ้นความต้องการของของไมโครโฟนประสิทธิภาพสูง


หน้าที่หลักของไมโครโฟนคือการรับเสียงโดยต้องไม่สูญเสียข้อมูลเสียงที่ต้องการ ไมโครโฟน MEMS จึงต้องมีคุณสมบัติหลักที่สำคัญดังนี้

  • อัตราส่วนของสัญญาณต่อเสียงรบกวน (SNR: Signal to Noise Ratio) ที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกว่าไมโครโฟนสามารถรับเสียงที่เบาที่สุดราวกับเสียงกระซิบได้หรือไม่
  • ไมโครโฟนที่มีการรับเสียง Acoustic Overload Point (AOP) ระดับสูง จะสามารถบันทึกเสียงที่ดังราวกับเสียงในคอนเสิร์ตได้
  • การตอบสนองความถี่ที่สมํ่าเสมอกันในทุกย่านความถี่จะทำให้บันทึกเสียงได้ชัดเจน และช่วยให้การปรับแต่งสัญญาณเสียงสะดวกและง่ายดายยิ่งขึ้น 

อุปกรณ์เสียงส่วนใหญ่ที่เราพบเห็นกันในทุกวันนี้มักจะมีไมโครโฟนมากกว่าหนึ่งตัว เช่น สมาร์ทโฟนมีไมโครโฟน 2-4 ตัว ลำโพงอัจฉริยะมีไมโครโฟน 5-7 ตัว และชุดหูฟังแบบครอบหูมีไมโครโฟน 4-6 ตัว เป็นต้น 

ซึ่งสิ่งที่ไมโครโฟน MEMS แตกต่างจาก ECM คือมีค่าความเบี่ยงเบนของประสิทธิภาพไมโครโฟนแต่ละตัวที่ต่ำมากอย่างมีนัยสำคัญ นั่นหมายความว่า ถ้าให้คุณสุ่มเลือกไมโครโฟนสองตัวจากจำนวนมากกว่า 100,000 ตัว ก็จะพบว่าประสิทธิภาพของไมโครโฟน MEMS มีความแตกต่างกันน้อยมาก ๆ เมื่อเทียบกับกลุ่มไมโครโฟน ECM 

การเลือกไมโครโฟนและความสามารถที่จำเป็นนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งาน เช่น ลำโพงอัจฉริยะที่วางไว้บนโต๊ะในห้อง นั่งเล่นจะต้องสามารถจับเสียงได้ 360° และสามารถระบุตำแหน่งของผู้ใช้งานเวลาพูดว่า ‘Hey Alexa’ หรือคำสำคัญอื่น ๆ ได้ หลังจากตรวจจับได้ว่ามีคำสั่งเกิดขึ้น ระบบประมวลผลสัญญาณจะสร้าง Audio Beam เพื่อจับเฉพาะเสียงของผู้ใช้งานเท่าน้ัน โดยอาศัยการลดเสียงรบกวนจากสภาพแวดล้อม 

Smart Devices ต้องรับเสียงได้รวดเร็ว แม่นยำ เพื่อความสะดวกในการใช้งาน

สำหรับการใช้งานดังกล่าว การจับคู่ Phase เสียงและค่าความไวระหว่างไมโครโฟนจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะทำให้ระบบทั้งหมดทำงานได้ตามตั้งใจไว้ ในกรณีที่ประสิทธิภาพของไมโครโฟนแต่ละตัวไม่ตรงกันหรือมีความเบี่ยงเบน ก็จะมีความเป็นไปได้สูงที่ลำโพงอัจฉริยะนั้นจะไม่สามารถระบุตำแหน่งของผู้ใช้งานได้อย่างถูกต้อง และท้ายที่สุดก็จะทำให้เกิดสัญญาณคลื่นเสียง Audio Beam ในทิศทางที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งจะส่งผลให้ผู้ใช้งานเกิดความหงุดหงิดที่จะต้องออกคำสั่งหรือคำถามซ้ำหลายครั้ง กว่าที่ลำโพงอัจฉริยะจะสามารถเข้าใจได้อย่างถูกต้อง


อีกตัวอย่างหนึ่งของการใช้งานที่สำคัญคือ ชุดหูฟัง

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หูฟัง Earbud แบบ True Wireless Stereo – TWS ที่กำลังเป็นที่นิยมและเติบโตเป็นอย่างมาก Earbud แต่ละข้างอาจใช้งานไมโครโฟน MEMS มากถึง 3 ตัว (นั่นคือ ใช้ไมโครโฟน 6 ตัวต่อชุด) เพราะคุณสมบัติสำคัญที่ต้องการก็คือแยกเสียงรบกวนออกจากสภาพแวดล้อมเพื่อให้ได้ประสบการณ์การฟังเพลงที่ดียิ่งขึ้น โดยในระหว่างการฟังเพลงไมโครโฟนด้านนอกจะทำงานร่วมกับไมโครโฟนด้านในเพื่อลดเสียงรบกวนภายนอก (เช่น ในเครื่องบิน เป็นต้น) โดยใช้เทคนิคการหักล้างเสียงรบกวน (ANC: Active Noise Cancellation) และเทคนิคการลดเสียงรบกวนอื่น ๆ ที่จับได้ ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องใช้ไมโครโฟนที่มีขนาดเล็กเพื่อประหยัดพื้นที่ และมีประสิทธิภาพเสียงระดับสูงเป็นพิเศษเพื่อจับเสียงที่จะถูกตัดออกไป

หูฟัง True Wireless ต้องสามารถจับได้ทั้งเสียงภายนอกและภายใน

พฤติกรรมการใช้ ‘เสียงเป็นสื่อกลางในการสื่อสาร’ กับอุปกรณ์ Smart Devices ต่าง ๆ มีเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ และเป็นตัวขับเคลื่อนความต้องการในการใช้งานไมโครโฟนที่มีคุณภาพที่ดียิ่งขึ้น การสื่อสารนั้นเป็นกระบวนสองทางซึ่งประกอบด้วยการพูดและการฟัง ไมโครโฟนคุณภาพสูงจึงไม่ใช่เพียงแค่สามารถจับสัญญาณเสียงที่มีคุณภาพในขณะที่คุณพูด แต่จะต้องช่วยในการจับเสียงรบกวนจากรอบข้างเพื่อตัดเสียงรบกวนเหล่านั้น และทำให้ได้รับประสบการณ์การฟังที่ดียิ่งขึ้นสำหรับผู้ใช้งาน

บทสรุป

ยังไม่มีโซลูชันไมโครโฟนใดที่เหมาะสำหรับทุกการใช้งานที่แตกต่างกัน นักออกแบบจะต้องเลือกไมโครโฟนที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานอย่างรอบคอบ โดยพิจารณาตัวแปรและปัจจัยสำคัญทั้งหมด ได้แก่ noise ratio / dynamic range – ช่วงความดังของเสียงที่ตอบสนอง / ความไวต่อเสียง / ภาพรวมของ harmonic distortion / และความเข้ากันได้ของ amplitude/phase

ที่น่าสนใจมาก ๆ ก็คือ Infineon ได้พัฒนาบอร์ดสำหรับทดสอบการใช้งานแบบ Plug and Play ที่สามารถใช้ร่วมกับแพลตฟอร์ม Arduino และ Raspberry Pi เพื่อการสร้างระบบจำลองการสั่งงานด้วยเสียงได้อย่างรวดเร็วอีกด้วย

https://www.infineon.com/microphone

Modern Manufacturing on FacebookModern Manufacturing on Youtube
Modern Manufacturing
Web Admin
 
นำเสนอข่าวสารความรู้รอบด้านเกี่ยวกับอุตสาหกรรมการผลิต เพื่ออุตสาหกรรมไทยก้าวหน้าด้วยวิทยาการสมัยใหม่และเป็นแรงขับเคลื่อนเศรษฐกิจไทย