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

我們曾在之前發布的文章《解讀MEMS麥克風技術與設計》中指出，MEMS麥克風的需求是由客戶所要求的音頻功能驅動的，如立體聲、語音識別、聲音指向性、噪音消除等。為了實現這些音頻特性，在最終問世的產品中需要使用多個MEMS麥克風來支持該功能。例如，最先進的智能手機可能包含多達6個麥克風。由于遠程辦公的需求提升，對MEMS麥克風的需求在一定程度上也加速提升。遠程辦公和在線會議正在成為新常態，如果沒有好的語音輸入系統（即麥克風），這些會議將不可能實現。

語音傳感器正被用于真無線立體聲 (True Wireless Stereo, TWS) 耳塞。這些耳塞之間可以無線連接，并與智能手機或其他藍牙設備連接。每個立體聲耳塞包含一個揚聲器（未來可能是一個MEMS微型揚聲器）和多個MEMS麥克風。大多數高級TWS系統中，每個耳塞包含三個MEMS麥克風：兩個外部麥克風用于波束形成，一個內部麥克風用于主動噪聲消除 (ANC)。因為兩個外接麥克風之間必須有一定的距離，所以典型的P型TWS耳塞會有一個長條（如圖1所示）。

圖1：商業化的TWS耳塞（圖片出處：蘋果公司）

主動降噪 (ANC) 是無線耳塞的一個理想功能，它能成功地降低背景噪音和風噪聲，但同時也會降低聲音接收。由于這個問題，在語音通話時，ANC經常被關閉[1]。為了克服這一局限性，一種新型的MEMS器件會通過骨骼和頭骨振動直接捕捉聲音，它被稱為“語音拾取傳感器 (VPU)”[2]或“語音拾取加速計”[1]，簡稱為“加速計”[3]，由一個具有MEMS麥克風頻率特性的MEMS加速計構成。基本上，該器件是麥克風和加速計的混合體。一個簡化的VPU傳感器包括一個改良的MEMS麥克風（麥克風的膜片上附著一個質量塊）和一個密閉的聲音端口（圖2）。

圖2：MEMS麥克風（左）和語音拾取 (VPU) 骨傳感器（右）示意圖。注意VPU上增加的質量塊和缺失的聲音端口。

除了經改進的語音檢測功能和背景噪聲免疫，VPU在主動降噪應用中還有一些其他優勢：

● 支持輕敲檢測：這提供了一種交互方式來控制設備，例如輕觸一次可以增加揚聲器音量，輕觸兩次可以降低音量；

● 語音打斷功能：即使在內部揚聲器播放音樂時，VPU也能拾取語音活動，這意味著，即使在聽吵鬧的音樂時，依然可以聽到談話聲；

● 由于沒有使用或需要聲音端口，VPU可以被完全密封包裹起來，更好地保護它免受外部環境污染。

圖3：MEMS+ VPU模型 (圖中所示為器件的1/4)

MEMS+?是CoventorMP?MEMS設計平臺的一種工具，可用于設計MEMS麥克風、加速計和VPU傳感器。MEMS+ VPU模型如圖3所示。該模型能準確再現器件的非線性行為，這在電路和系統級設計中是至關重要的。同時，該模型還完全參數化，支持多物理建模。目前，MEMS設計軟件的最新版本CoventorMP 2.0也已發布。該版本允許在MEMS設計中使用充電源，這是在實際配置中測試MEMS麥克風和VPU的關鍵。CoventorMP中的每一項功能都可以用于設計和開發高度先進的下一代語音檢測設備。

隨著新的應用和采用語音傳感的新產品問世，對MEMS麥克風的需求將繼續增加。支持高級功能的新型基于MEMS的語音傳感器（如VPU），以及對新的、更好的語音感知解決方案的需求，將繼續推動下一代MEMS麥克風和基于MEMS的語音感知產品的發展。

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