敏芯股份：骨振動傳感器在TWS耳機中的應用

骨震動傳感器在TWS耳機中的應用

敏芯股份

TWS耳機

TWS（True Wireless Stereo）真無線藍牙耳機與傳統耳機相比，具有極高的便攜性。随着主動降噪、空間音頻等新功能的加入，TWS耳機的功能性更加豐富，使用體驗得到不斷提升，更加促進TWS耳機的快速普及。

日常生活中，語音通話的應用場景比較複雜，比如在地鐵上、辦公室裡、機場等公共場所，對通話效果有很高的要求，在上行通話中，環境噪音的消除成為剛性需求。如何能夠更進一步提升TWS耳機的通話降噪效果，進而凸顯産品的差異性，提升産品的競争力，成為衆多廠商布局産品的重點方向之一。

骨震動傳感器的檢測原理

人在說話時，聲帶産生的振動信号，有兩種方式進行傳播：一種是通過空氣媒體向外傳播，另一種方式是通過人的顱腦骨骼、肌肉向外傳播，引起耳廓的振動。骨振動傳感器就是利用後者的傳播方式，檢測耳廓的振動信号，拾取佩戴者的語音資訊。骨振動傳感器對于空氣中傳播的聲波信号不敏感，對空氣中傳播的聲音信号具有天然的抑制作用，是以，通話降噪算法更簡單，更自然，噪聲抑制更有效，可以提供效果更佳的上行通話效果。

TWS耳機降噪方法的對比

市場上TWS耳機種類繁多，對于ENC（Environmental Noise Cancellation）降噪方面，根據不同的價格及性能定位，有單麥克風、雙麥克風、三麥克風以及骨振動等多種産品形态。

單麥克風方案價格有優勢，主要晶片要求門檻更低，結構不受限，利用神經網絡算法，識别濾除噪聲信号。不過單麥克風方案降噪效果一般，對于複雜場景的噪聲識别及壓制不是很明顯。雙麥克風可适配多種形态，在大多數高噪場景下有比較好的體驗，成本效益高，是目前ENC降噪的主流方案。

雙麥ENC降噪，利用有一定間距的兩顆麥克風，這樣才可以識别不同方向的聲音信号，兩顆麥克風的最小間距一般要求10mm。算法上用相對成熟的beam forming算法，波形指向配戴者說話的音源，在音源方向增強信号靈敏度，在其它方向壓制信号靈敏度，進而實作噪聲的消除。

三麥ENC降噪一般複用ANC主動降噪回報麥克風（Feedback Microphone，FB），FB麥克風用于檢測聲帶通過耳蝸傳遞到耳機的聲音信号，另外由于FB麥克風深處耳道内部，主動降噪耳機大部分為入耳佩戴方式，耳機的橡膠套有比較好的密封效果，可以隔離外界環境噪音。三麥ENC降噪，可适用于大多數場景，抗風噪能力佳，但是算法複雜，價格相對高。

麥克風與骨振動相結合，抗環境人聲幹擾性能更佳，通話者人聲失真度小。風噪是大部分耳機的一個痛點，當風速大于5m/s時，麥克風會出現飽和失真，此時麥克風喪失捕捉語音信号的能力，骨振動傳感器對空氣波動不響應，是以即使在大風速情況下，依然能準确捕捉到語音信号。另外對于豆式耳機，由于空間緊湊，體積小，兩顆麥克風很難拉開距離，是以這種情況下雙麥ENC降噪效果欠佳。一顆通話麥克風加一顆骨振動傳感器，可以實作比較好的通話效果，抗風噪能力強，噪聲抑制效果佳，算法上也無需複雜的波束成形，簡單的語音算法就可以實作，方案的整體成本效益高，為越來越多的耳機廠家所采用。

骨震動傳感器的器件設計

基于MEMS（Micro-Electronic-Mechanical-System）微加工技術，在矽襯底上加工形成微米級尺寸的彈性梁結構以及一定重量的品質塊，構成振動敏感的力學結構。品質塊上的電容極闆與襯底上的電容極闆構成梳齒形可動電容，當有振動施加到器件上時，品質塊産生振動，帶動電容梳齒産生振動，電容兩極闆之間間距變化，是以電容産生變化。

器件内部的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）将微弱的電容信号提取、轉換以及放大，将振動信号以電壓的形式輸出，與傳統矽麥的輸出信号相似，便于藍牙主要進行信号處理。

采用Metal-Lid LGA的封裝，整體外觀呈現為PCB基闆與金屬殼組合形式。PCB基闆位于底部，基闆正面及背面分布有各路信号走線，背面設有引出電極。基闆四周分布有劃錫溝道，使頂部金屬殼通過焊錫與基闆連接配接，以實作完整電磁信号屏蔽。LGA内部主要由MEMS晶片與ASIC晶片組成。MEMS晶片貼裝于PCB基闆，ASIC晶片貼裝于MEMS晶片上，構成上下堆疊的形式，使結構更緊湊，空間使用率更高。MEMS晶片與ASIC晶片、ASIC晶片與PCB基闆之間，均通過Wire-Bonding的方式實作信号互聯。2.7x1.8x1.1的封裝尺寸，小巧緊湊，與标準麥克風尺寸相容。

器件的靈敏度為-26dBV/g @1kHz，信噪比為55dB，諧振頻率為4kHz。一般而言，語音信号的帶寬為1kHz左右，是以器件頻率響應在1.5kHz以内平坦，更便于算法處理。

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