Mems микрофон что это

Микрофоны на основе технологии MEMS для поверхностного монтажа

Технология MEMS (Micro Electro Mechanical Systems — электромеханические микросистемы) — это изготовление электромеханических устройств методами полупроводниковой технологии. Традиционно на кремниевой подложке создаются проводящие дорожки для создания электрических соединений внутри микросхем. В дополнение к этому, MEMS преобразует кремний в механически движущиеся части. За последнее десятилетие использование этого процесса в производстве все более расширяется. Например, автомобильный рынок использует MEMS-акселерометры как датчики аварий для срабатывания защитных подушек безопасности. На базе MEMS-технологии фирмы Knowles Acoustics выпустила микрофоны SiSonic в конструктивном исполнении для поверхностного монтажа.

Как работает MEMS-микрофон?

Совершенствование процесса MEMS привело к созданию миниатюрного дешевого микрофона с высокими параметрами. В некоторых приложениях такой прибор обеспечивает определенные преимущества над традиционными электретными микрофонами (ECM). Путем нанесения и травления полупроводникового материала на кремниевой подложке формируется конденсатор, являющийся основой микрофона. Как и обычный электретный микрофон, MEMS-микрофон состоит из гибкой диафрагмы, жесткой подложки и демпфирующего отверстия с электрическим зарядом на подложке. Диафрагма находится в непосредственной близости от подложки, образуя конденсатор. Под воздействием звукового давления диафрагма движется, при этом изменяется емкость между ней и подложкой. Эти изменения измеряются и выводятся в виде электрического сигнала.

Если отвлечься от процесса формирования кремния, то основное различие между ECM и кремниевым микрофоном заключается в том, как поддерживается заряд на подложке. В ECM заряд подложки формируется в процессе изготовления. Если по какой-либо причине заряд уменьшится или исчезнет, то динамический отклик микрофона быстро деградирует. Чаще всего деградация вызывается перегревом. По этой причине ECM-микрофоны не применяются при температуре свыше 85 градусов и не могут быть припаяны в процессе автоматического поверхностного монтажа. Кремниевый микрофон после изготовления не имеет заряда. Заряд при напряжении 12 В закачивается в подложку с помощью КМОП-схемы. Микросхема поддерживает этот заряд, когда микрофон активирован.

Традиционно электретные микрофоны используются в беспроводных приложениях, поскольку обеспечивают высокую чувствительность благодаря гибкой диафрагме большого размера (обычно 6 мм). Если уменьшать размер ECM-микрофона, его чувствительность очень быстро падает. Микрофоны для поверхностного монтажа фирмы Knowles Acoustics обеспечивают высокую чувствительность (-42 дБВ) даже с диафрагмой диаметром 0,5 мм. Это обеспечивается благодаря запатентованной свободно плавающей диафрагме. Малый размер диафрагмы обеспечивает значительное снижение размеров и стоимости, поскольку тысячи микрофонов могут быть сделаны из одной кремниевой пластины.

Выбор корпуса

Конструкции корпусов кремниевых микрофонов должны удовлетворять многим требованиям: иметь малые размеры, низкую стоимость, высокую степень воспроизводимости при производстве, гибкость при изменении дизайна. Корпус должен также обеспечивать решение типичной для портативных устройств проблемы — защиты от электромагнитных наводок. Разработанный корпус отвечает не только всем указанным требованиям, но даже превышает некоторые из них. Микрофон в сборке (КМОП + MEMS) заключен в легко собираемый корпус на металлической плате для создания эффекта клетки Фарадея. На подложке смонтированы фильтрующие конденсаторы для защиты от наводок. Такой подход также обеспечивает определенную гибкость конструкции для того, чтобы менять размер корпуса, обеспечить возможность извлечения микрофонного кубика, использования влагозащитной крышки, установки заказной КМОП ИМС с фильтрами, усилителем сигнала и АЦП, а также изменения размера или места акустического порта в случае изменения функций микрофона.

Корпус выдерживает температуру до 100 градусов в непрерывном режиме и может быть подвергнут нагреванию в процессе пайки в типичных для линий поверхностного монтажа условиях. Если необходимо, можно расширить диапазон температур работы и хранения свыше 100 градусов путем использования высокотемпературного материала подложки. С данным корпусом микрофон обеспечивает плоскую частотную характеристику в звуковом диапазоне от 100 Гц до 10 кГц.

Следует заметить, что после напайки на плату микрофон не должен подвергаться промывке. Если производитель промывает плату, то возникает риск попадания раствора в акустическую часть. Некоторые производители вс╦ ещ╦ промывают свои платы после пайки для удаления излишков флюса. Этого можно избежать на линиях высокопроизводительной сборки, на которых используется флюс, не требующий очистки.

Какие проблемы решает кремниевый микрофон?

Кремниевые микрофоны фирмы Knowles Acoustics предназначены для поверхностного монтажа. Поскольку традиционный микрофон не может быть припаян в стандартном процессе пайки на линии, были разработаны различные методы ручной установки, например:

ручная пайка на печатную плату;
ручная пайка к гибким проводникам, которые присоединяются к золоченым контактам на печатной плате;
ручная установка не впаиваемого микрофона с помощью проводящей гибкой втулки с последующим прижатием к плате;
ручная установка не впаиваемого микрофона в штырьковый разъем с прижатием к плате;
ручная установка не впаиваемого микрофона в подпружиненную чашечку с прижатием к плате.

Ни один из перечисленный подходов не является идеальным. В примере с ручной пайкой микрофон необходимо дополнительно тестировать для того, чтобы убедиться, что в процессе пайки он не был поврежден. В силу своей природы, пайка не на линии увеличивает стоимость производства. Кроме того, выход годных изделий в таком процессе меньше 100%, иначе не требовалось бы тестирование после пайки. Это означает переделку или отбраковку печатной платы.

Микрофон Knowles Acoustics мал по размерам. По сравнению с 6-мм микрофоном, кремниевому микрофону требуется более чем на 20% меньше места на передней стороне платы. Поскольку он предназначен для поверхностного монтажа, то использует только переднюю сторону платы. Обычный же микрофон ECM устанавливается в отверстие, поэтому занимает место на обеих сторонах платы. Кремниевый микрофон имеет также на треть меньшую высоту, чем стандартные 2,2 мм у используемого в настоящее время микрофона.

По сравнению с другими схемами подключения микрофона без пайки через разъемы, выигрыш в использовании места оказывается ещ╦ большим. Кремниевый микрофон требует на 40% меньше места и не более половины высоты современных микрофонов. Кроме того, микрофон Emkay позволяет устранить дополнительную деталь — разъем. Наконец, микрофон с ручной установкой не всегда имеет надежный электрический контакт. При этом сигнал от микрофона будет слабым, и произойдет потеря чувствительности.

Кремниевый микрофон Knowles Acoustics очень устойчив к воздействию окружающей среды. Он может противостоять температуре до 100 градусов, в то время как микрофоны по существующей технологии не могут противостоять температуре свыше 85 градусов. Превышение этой температуры может привести к потере микрофоном ECM своего заряда и чувствительности. Далее, кремниевый микрофон высоко устойчив к ударам. Микрофоны ECM известны своими отказами при повторяющихся ударах. Кремниевый микрофон разработан так, что в состоянии противостоять ударам до 5000g. Наконец, чувствительность микрофона к вибрациям зависит от массы диафрагмы микрофона. В кремниевом микрофоне масса диафрагмы намного меньше, чем в стандартном микрофоне, поэтому он не в такой степени подвержен действию вибраций. В портативных устройствах типа сотовых телефонов, PDA и ноутбуках вибрации могут оказывать большой эффект на качество акустики.

Оптимальные области применения кремниевых микрофонов

Сотовые и WAP-телефоны, PDA, ноутбуки и аудиоаппаратуру логично считать основным массовым рынком. Эти приборы выпускаются в большом объеме и именно для них выгодно применение кремниевых микрофонов поверхностного монтажа. Производители этих товаров затрачивают внушительные суммы на дополнительные детали, внепоточную сборку и ручную работу.

Для этих же производителей весьма существенна и экономия места. Разработчики продолжают увеличивать функциональность, одновременно снижая размеры. Хорошим примером служат ПДА. Внутри типичного ПДА вс╦ место буквально заполнено и, если изготовитель захочет добавить туда микрофон, то сделать это с EMC-микрофоном будет гораздо труднее, чем с кремниевым.

Температурный диапазон, устойчивость к ударам и чувствительность к вибрациям являются проблемой большинства портативных приборов. Когда люди оставляют сотовый телефон в автомобиле, стоящем на солнце, температура внутри кабины легко превышает 85 градусов, явно за границей допустимого диапазона для обычного микрофона ECM, и возникает проблема с надежностью. Не так уж редко мобильные телефоны роняют на асфальт. Большинство аппаратов подвергаются таким ударам хотя бы раз, а некоторые и многократно. Наконец, вибрации постоянно сопровождают все портативные приборы. Влияние всех этих воздействий может быть существенно ослаблено с использованием кремниевых микрофонов.

Пьезоэлектрические MEMS-микрофоны значительно улучшат запись звука смартфонами

В рамках выставки MWC 2016 компании Infineon, AAC Technologies и стартап Vesper представили новое поколение микрофонов на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) — пьезоэлектрические MEMS-микрофоны (в настоящее время распространены конденсаторные MEMS-микрофоны). Как водится, всё новое — это неоднократно проданное старое. Микрофоны на MEMS не являются чем-то новым. Главное их достоинство — это компактные размеры и возможность выпускать главные элементы микрофонов — MEMS-структуры — на полупроводниковых подложках подобно тому, как выпускаются традиционные микросхемы. Такие микрофоны в сборе представляют собой модули со сторонами два–три миллиметра. Это близкое к идеалу решение для установки в тонкие смартфоны. К сожалению, остаются потери в качестве записи звука, но более совершенные микрофоны попросту не поместятся в смартфон.

Пример MEMS-микрофона отдельно и в сборе (ADI)

Между тем новые модели мобильных устройств — смартфонов и планшетов — могут похвастаться прорывом в качестве записи видео, которое достигает разрешения 4K. Для полноты «картинки» микрофонам надо догонять в качестве записи. Новые микрофоны на матрицах MEMS с использованием в качестве фиксирующего звуковые волны элемента на базе пьезоэлектрика обещают наилучшее в индустрии соотношение сигнал/шум — на уровне 66 дБ, а также способность вести запись без искажений звука на уровне 135 дБ. Это выше болевого порога для человека, который установлен на отметке 130 дБ.

Пьезоэлектрические микрофоны тоже нельзя считать современным изобретением. Этому принципу записи много лет. Тем не менее в сочетании с матрицами MEMS — это прогрессивное решение. К другим несомненным достоинствам нового решения относится высокий уровень защиты от загрязнения и влаги. На стенде Vesper можно было увидеть пьезоэлектрический MEMS-микрофон, который не терял работоспособность даже при погружении в воду. Это тем более важно, так как вторая по числу негарантийных случаев поломка у смартфонов — это отказ микрофонов по причине загрязнения. Современные MEMS-микрофоны с конденсаторным элементом также подвержены этой напасти и требуют специальных мер для защиты.

Работа пьезоэлектрического MEMS-микрофона в ёмкости с водой (Vesper)

Наконец, особенности разработанной конструкции пьезоэлектрического MEMS-микрофона Vesper и компании Infineon позволяют с высокой точностью вести направленную запись. Это достигает как за счёт качеств самого микрофона, так и благодаря организации массива микрофонов. Кстати, для приложений с виртуальной реальностью точность позиционирования звука будет играть важную роль, поэтому пьезоэлектрические микрофоны могут прописаться в VR-системах.

Полупроводниковая пластина с MEMS-микрофонами (Infineon)

Производством пьезоэлектрических MEMS-микрофонов на уровне полупроводниковых пластин занимаются обе компании — Infineon (на своих заводах) и Vesper (на линиях компании GlobalFoundries). В то же время они не собираются выпускать готовые для установки в смартфоны модули. Компания Vesper поставляет пластины с MEMS-микрофонами гонконгской компании AAC Technologies, а та, в свою очередь, продаёт готовые микрофоны китайским клиентам и компании Apple. Немецкая Infineon поставляет пластины с MEMS-микрофонами компаниям AAC, Goertek, Hosiden и BSE. Отметим, у Infineon больше шансов захватить значительный кусок нового рынка, чем у кого-то другого.

МИКРОФОНЫ MEMS

Многие электронные устройства имеют микрофон, и это касается не только бытовой электроники. Конечно, они являются ключевым компонентом для смартфонов, диктофонов, видеокамер, но с появлением цифровых помощников и приложений для распознавания речи они также используются в умных динамиках, наушниках и множестве других гаджетов. Кроме того, имеется область связанная с IoT. Все больше микрофонов используются в профессиональных устройствах, включая промышленные, в которых эти элементы слышат вибрации и необычные звуки механических систем, выполняя раннюю диагностику и прогнозирование отказов.

Для этих задач понадобятся высококачественные микрофоны для оптимального захвата аудио сигналов на разных устройствах. При создании устройств с микрофонами стоит обратить внимание на технологию MEMS, и их характерная особенность состоит в том, что они преодолевают существующие ограничения улавливания аудиосигнала.

Версии MEMS по сравнению с классическими емкостными и электретными микрофонами имеют много преимуществ. Во-первых, они намного меньше по размеру при той же производительности, поэтому их легче интегрировать в устройства и использовать множество микрофонов, расположенных в разных местах акустического тракта, не беспокоясь о том, что они занимают место.

Во-вторых, процесс производства таких элементов позволяет производить настройку параметров на заводе, чтобы их можно было рассматривать как парные элементы с одинаковыми амплитудными и фазовыми характеристиками. Благодаря этому упрощается разработка, поскольку не требуется точной настройки каждой детали. Еще одно преимущество – устойчивость к высоким температурам и возможность автоматической сборки в процессе SMT.

Производительность микрофонов

В качестве преобразователя звука микрофон преобразует волны звукового давления в электрические сигналы. Но не все микрофоны одинаковы – они характеризуются различными параметрами, которые вместе определяют подходит ли данный элемент для конкретного применения. Давайте рассмотрим наиболее важные.

Минимальный уровень шума в выходном сигнале микрофона – это все сигналы, не относящиеся к желаемому входному сигналу. Шум может исходить от окружающей среды или от самого микрофона, и чем выше уровень шума, тем хуже качество записанного аудио.
Уровень шума в микрофонах определяется различными параметрами или характеристиками. С одной стороны, собственный шум генерируется самим микрофоном при отсутствии звукового сигнала. Измеряется в среднеквадратичных значениях дБ полной шкалы.
Эквивалентный входной шум – это воображаемый уровень акустического шума, который соответствует уровню электрического шума на выходе микрофона. Он выражается в дБ SPL (уровень звукового давления в дБ). Важным критерием является отношение сигнал / шум (SNR). Значение SNR в дБ является мерой собственного шума микрофона относительно предполагаемого или желаемого входного сигнала.
Другими важными качественными характеристиками микрофонов выступают общие гармонические искажения (THD) и точка акустической перегрузки (AOP). На самом деле микрофоны, как и все преобразователи сигналов, являются нелинейными, то есть они добавляют определенный уровень искажений – дополнительные гармоники, обычно от второй до пятой. THD – это отношение энергии содержащейся в этих гармониках к энергии сигнала основной частоты. Выражается в процентах. По сути, AOP определяет точку, в которой THD превышает 10%. Но в более требовательных устройствах AOP иногда называют точкой, где THD = 1%. Другие параметры – это частотная характеристика и фаза.

Свойства и особо важные параметры

Работа микрофона MEMS основана на миниатюрном конденсаторе, состоящем из диафрагмы, которая является одной из его пластин, и задней пластины. Между этими двумя электродами приложено напряжение смещения. Деформирующаяся под действием акустического давления диафрагма вызывает изменение напряжения на пластинах этого конденсатора, что является результатом изменения емкости (межэлектродного расстояния) при постоянном заряде.

Принцип действия микрофона MEMS основан на конденсаторе, в котором одна обкладка является диафрагмой, а другая – эталонной пластиной – так называемая задняя пластина. Базовая микрофонная схема с двумя электродами, то есть диафрагмой и задней пластиной, может быть заменена в более сложном решении решением с двумя задними пластинами. Они расположены симметрично над и под диафрагмой.

Слева вариант с одинарной спинкой, справа – с двойной спинкой. Эта конструкция создает двойной конденсатор, который подает дифференциальный сигнал. Тут требуется более сложный усилитель, но с точки зрения параметров такие микрофоны имеют лучшую линейность и более низкие искажения THD, более устойчивы к искажениям при очень громких акустических сигналах. Симметричная конструкция и дифференциальный усилитель также помогают подавить отдельные гармоники.

Микрофоны MEMS могут иметь аналоговый или цифровой выход. Первое решение проще, потому что для работы требуется подать напряжение смещения для акустического датчика и малошумящий усилитель. Во втором случае потребуется аналого-цифровой преобразователь со сглаживающим фильтром и интерфейсная схема.

Цифровой выход упрощает подключение микрофона к цифровой системе, такой как микроконтроллер, и помогает контролировать помехи. Аналоговые компоненты более требовательны к развязке питания и требуют тщательного проектирования печатной платы. Нужно больше места на плате, в то время как для цифровых версий требуется места меньше. Сигнальная линия между датчиком и АЦП в этом случае очень короткая, поэтому подверженность помехам намного ниже.

Еще одно различие между микрофонами – это тип входа акустического сигнала. Доступ к диафрагме можно получить снизу или сверху корпуса. Выбор версии зависит от требований к конструкции и способа создания акустического канала к мембране.

В целом микрофоны с нижним входом обеспечивают лучшую производительность, но их сложнее применять. Это связано с тем что акустическая камера, в которой работает датчик, здесь меньше, и в ней нет других элементов кроме диафрагмы, которые мешают работе и создают паразитные резонансы. Нижние входные микрофоны используются в более сложных устройствах, включая смартфоны. Последние выбираются для менее требовательных устройств, например в ноутбуках.

Чувствительность микрофонов MEMS

Одним из основных параметров микрофона является чувствительность, но поскольку все больше устройств содержат более одного такого элемента, становится важным чтобы все элементы имели одинаковую чувствительность, одинаковые фазовые характеристики и групповую задержку. Без этого не будут работать формирование направленности, подавление эха и активное шумоподавление. Сравним MEMS XENSIV и классический электретный микрофон:

XENSIV микрофон

Широкий диапазон рабочих частот
Высокая линейность
Динамический диапазон 105 дБ
Низкий уровень собственного шума
Двойная задняя пластина
AOP 130-135 дБ SPL
Малые габариты тип. 4 х 3 мм высота 1,2 мм
Сборка в процессе SMT
Укороченные амплитудно-фазовые параметры
Потребление тока: 50 мкА – 1 мА

Электретный микрофон

Цилиндрическая форма
Диаметр 6-10 мм, высота 1-3 мм
Чувствителен к высоким температурам
Требуется ручная сборка
Недоступен как парный элемент
Параметры со временем ухудшаются
Оптимизированное распознавание речи

XENSIV IM69D130 представляет новый класс качества микрофонов MEMS, устраняющий текущие ограничения в аудиосигналах.

В случае электронных схем, взаимодействующих с компьютерными алгоритмами (например для распознавания речи), звуковые сигналы воспринимаются иначе чем человеческим ухом. Соответственно, цели по качеству звука различаются. Здесь сигнал не обязательно звучит естественно, если он оптимизирован для компьютерных алгоритмов. Но независимо от области применения важно, чтобы сигнал не содержал помех и шумов.

Автоматическое распознавание голоса – это процесс, с помощью которого звуковые сигналы автоматически переводятся в письменный текст. Точность такой задачи в настоящее время составляет около 95%. Но до сих пор это значение было достигнуто только в лабораториях с очень благоприятными условиями окружающей среды.

Системы голосового управления всегда должны обеспечивать надежность распознавания и удобство для конечного пользователя. Для этого разработчики должны учитывать фактическое использование устройства на рабочем месте, вероятное расстояние пользователя от микрофона, а также ожидаемые уровни шума и фонового шума. Только тогда можно спроектировать систему для достижения максимально возможной эффективности. Модель IM69D130 обеспечивает неискаженную запись аудиосигналов даже при высоких уровнях звукового давления.

На практике голосовое управление очень чувствительно к акустическим помехам, таким как фоновый шум, реверберация, эхо, и зависит от положения микрофона по отношению к собеседнику. По этой причине недостаточно иметь хорошее программное обеспечение для распознавания голоса. Каждый элемент системы должен обеспечивать максимально возможную производительность, чтобы не снижалось качество работы. Назначение микрофона – предоставить системе распознавания голоса наилучший входной сигнал, который помогает анализировать голосовое содержание входящего звука.

В шумной среде распознавание голоса можно значительно улучшить, если используемый микрофон имеет высокую линейность, то есть обеспечивает самый низкий уровень искажений. И наоборот, высокий AOP помогает минимизировать искажения и улучшить подавление шума и эха. Иногда голосовой сигнал сам по себе недостаточно громкий, и возникают другие шумы вызывающие помехи. Это имеет место, например, когда громкоговоритель расположен рядом с голосовым микрофоном терминала, или когда цифровой помощник воспроизводит громкую музыку или дает речевую обратную связь.

Максимально возможное соотношение сигнал / шум

Микрофон IM69D130 устанавливает новые стандарты обнаружения звуковых и голосовых сигналов – на рисунке показан типичный фазовый отклик.

Чем дальше расстояние от источника речи, тем ниже отношение сигнал / шум, поступающего в алгоритм. По этой причине SNR микрофона должно быть высоким, если предполагаемое расстояние обнаружения должно быть как можно большим.

Обнаружение звуковых сигналов, а также качество разговоров между людьми можно улучшить, если замаскировать нежелательные звуки из сигнала. Целью такого процесса является увеличение отношения сигнал / шум, в данном случае отношения между желаемым аудиосигналом и нежелательным окружающим шумом. Снижение шума и поляризация могут быть достигнуты за счет использования нескольких микрофонов в сочетании с соответствующими алгоритмами, как в случае с интеллектуальными динамиками, где до 7 микрофонов работают вместе.

Такие микрофонные решетки позволяют использовать алгоритмы формирования луча и могут увеличивать чувствительность микрофонов в желаемом направлении и, таким образом, усиливать желаемые источники звука. Изощренный метод подавления шума – это алгоритмы «слепого разделения источников». Они позволяют снизить уровень шума независимо от направления, расстояния и места происхождения.

Все эти методы подавления шума выигрывают от точности и качества принимаемого сигнала. Поэтому микрофон должен иметь максимально возможное отношение SNR, низкие искажения, линейную частотную характеристику (что также улучшает фазовую характеристику) и низкую групповую задержку.

Основные особенности IM69D130

Микрофон IM69D130 разработан для устройств, где требуется высокое отношение сигнал / шум, широкий динамический диапазон, низкие искажения и высокая устойчивость к акустической перегрузке. Это позволяет очень точно распознавать голос и записывать очень громкие звуки на сцене и в промышленности. Отношение сигнал / шум (SNR) около 69 дБ.

IM69D130 оснащен двойной задней пластиной, что обеспечивает высокую линейность выходного сигнала и динамический диапазон 105 дБ. Собственный шум микрофона составляет 25 дБ (отношение сигнал / шум 69 дБ), а нелинейные искажения не превышают 1% даже при уровне звукового давления 128 дБ SPL (10% искажение при 130 дБ SPL).

То есть распознавание голосовых команд без искажений возможно даже при параллельном воспроизведении музыки из динамиков. Линейная частотная характеристика (падение частотки только ниже 28 Гц) и жесткие производственные допуски приводят к близкому фазовому соединению микрофонов. Элемент помещен в корпус размерами всего 4 х 3 х 1,2 мм.

Разброс чувствительности составляет ± 1 дБ, а фазовый синхронизм ± 2 ° на частоте 1 кГц. В результате IM69D130 обеспечивает крайне точное формирование звукового направления, обеспечивая взаимодействие с современными и эффективными алгоритмами распознавания речи.

Схема имеет цифровой интерфейс на выходе, поэтому не требует дополнительных аналоговых компонентов. Цифровая связь также снижает стоимость внедрения, поскольку линии передачи сигнала не нуждаются в защите от высокочастотных помех, а для устройств с несколькими микрофонами требуется меньше соединений.

Встроенная микросхема содержит малошумящий предусилитель и высокопроизводительный сигма-дельта АЦП (задержка всего 6 мкс на частоте 1 кГц). Это позволяет выбирать различные режимы мощности в соответствии с конкретными требованиями к энергопитании. Каждый микрофон IM69D130 имеет заводскую настройку для обеспечения очень малого допуска чувствительности (± 1 дБ). Это лишь один из примеров MEMS микрофона, на рынке есть и другие модели, которые в любом случае значительно превосходят по своим параметрам классические.

Необычные уязвимости обычных датчиков

Голосовых помощников можно обмануть с помощью лазера, а датчик движения — с помощью музыки.

То, что теперь у каждого цифрового устройства есть куча «органов чувств», помогающих ему взаимодействовать с физическим миром, — это, с одной стороны, удобно. Но с другой — создает новые, порой весьма неожиданные угрозы. Дело в том, что эти «органы чувств» хоть и близки к человеческим функционально, но по конструкции и возможностям сильно от них отличаются. И об этом не всегда задумываются при разработке электроники.

Взять, к примеру, ультразвуковые команды: человек их не слышит, а голосовые помощники — не только слышат, но и исполняют. Впрочем, взлом ассистента с помощью звука, хоть и неуловимого для человеческого уха, — это хотя бы как-то можно понять и предугадать. А вот как насчет… света?

Как услышать свет: MEMS-микрофоны и их причуды

Оказывается, если преобразовать голосовую команду в мерцание лазера и направить луч на микрофон, то ассистент благополучно распознает и выполнит запрос. Это выяснили исследователи из Университета электрокоммуникаций японского города Тёфу и Мичиганского университета. Они смогли передать команды гаджетам на расстояние в несколько десятков метров. Единственное условие — между источником лазерного луча и микрофоном устройства должна быть прямая видимость.

Исследователи опробовали лазерную атаку на умных колонках, смартфонах, планшетах и других устройствах, работающих под управлением Amazon Alexa, Apple Siri и Ассистента Google. Везде трюк сработал, различалось лишь расстояние, на котором микрофон улавливал сигнал — от 5 до 110 метров. Теоретически дальность атаки может быть и больше, если мощность лазера и характеристики объектива позволяют.

В видео ниже (в качестве примера того, что можно сделать с помощью данного метода) исследователи, сидя в соседнем здании, заставляют умную колонку Google Home открыть гараж.

Почему MEMS-микрофоны реагируют на свет

Теперь немного о том, как это работает. Лазерная атака возможна из-за особенностей устройства микрофонов в гаджетах. Большинство современных микрофонов, встроенных в умную электронику, относится к микроэлектромеханическим системам (сокращенно — МЭМС или MEMS). Это миниатюрные устройства, в которых электронные и механические компоненты объединены в одну замысловатую конструкцию.

MEMS-устройства массово изготавливают по тем же технологиям, что и компьютерные чипы, в основном из того же материала — кремния, и с той же степенью миниатюризации: размеры отдельных деталей этих устройств измеряются в микрометрах или даже нанометрах. При этом стоят MEMS-устройства невероятно дешево, так что уже успели вытеснить большинство других вариантов конструкции датчиков и прочих миниатюрных приспособлений, которые работают на стыке электроники и физического мира.

Основная чувствительная часть MEMS-микрофона — это тончайшая мембрана, примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Эта мембрана колеблется под воздействием звуковых волн. В результате пространство между ней и неподвижной частью датчика то увеличивается, то уменьшается. При этом мембрана и неподвижное основание датчика вместе образуют конденсатор, так что при изменении расстояния между ними меняется емкость. Эти изменения несложно измерить и записать, а потом преобразовать в звукозапись.

Луч света тоже может создавать волны, вызывающие колебания чувствительной мембраны. Так называемый фотоакустический эффект известен еще с конца XIX века. Тогда шотландский ученый Александр Грейам Белл (да-да, тот самый, который запатентовал телефон) изобрел фотофон — прибор, позволяющий обмениваться звуковыми сообщениями с помощью луча света на расстоянии в несколько сотен метров.

Чаще всего фотоакустический эффект возникает из-за того, что свет нагревает то, на что попадает. При нагревании предметы расширяются и становятся больше, а когда остывают — уменьшаются до исходных размеров. То есть под воздействием мерцающего лазерного луча они будут меняться в размере. Вы, скорее всего, этого не заметите, но MEMS-датчик — микроскопический и восприимчив даже к микроскопическому воздействию. Поэтому подобные колебания он почувствует и честно преобразует в звукозапись, которая потом будет распознана как голосовая команда.

Музыка движения: чувствительность MEMS-акселерометра к звуку

Технология MEMS используется не только в микрофонах, но и во множестве других датчиков. Взять, к примеру, датчики движения — гироскопы и акселерометры. Они есть в кардиостимуляторах, подушках безопасности в автомобилях и много где еще. Именно они отвечают за поворот экрана в смартфонах и планшетах, и их тоже можно обмануть необычным способом.

Пару лет назад исследователи из университетов Мичигана и Южной Каролины провели эксперимент, подчинив акселерометры, которые в норме должны реагировать на движение… звуку.

Почему MEMS-акселерометры реагируют на звук

А дело тут вот в чем. Датчик определяет, что устройство движется, по смещению микроскопического груза. Звуковые волны могут вызывать колебания груза, заставляя акселерометр думать, что он перемещается в пространстве. Исследователи испытали два десятка распространенных моделей акселерометров, и три четверти из них оказались восприимчивы к звуку.

Так, в рамках исследования ученые заставили фитнес-браслет Fitbit считать липовые шаги, а смартфон — рулить радиоуправляемой машинкой, лежа на столе. Обычно игрушка реагирует на наклон гаджета, но исследователи обманули датчик смартфона при помощи музыки, которую включили на нем же.

Надышались гелием: iPhone в отключке

Не все причуды MEMS находят в лабораторных условиях. Сисадмины одной из американских клиник столкнулись со странным явлением во время установки нового аппарата МРТ: сотрудники медцентра начали жаловаться на неработающие телефоны. Расследование показало, что из строя вышли только устройства Apple, в то время как гаджеты других производителей (а также компьютеры и медицинские аппараты) работали как ни в чем не бывало.

Виновником происшествия оказался сжиженный гелий, который применяется для охлаждения рабочих узлов томографа. При монтаже аппарата часть гелия вытекла, испарилась и распространилась по клинике — и даже малой концентрации газа хватило для того, чтобы айфоны начали впадать в летаргический сон.

Почему iPhone перестают работать из-за гелия

В отличие от прочей техники в клинике, в которой микроэлектромеханические устройства тоже используются, но не критичны для системы, в Apple Watch и айфонах начиная с шестого они отвечают за работу тактового генератора — по сути, часов, которыми пользуется вся более умная электроника. А без точного времени устройства жить не могут.

Внутри MEMS-генераторов, которые оказались виновниками отказа айфонов, создается вакуум, необходимый для их нормальной работы. Чтобы этот вакуум ничто не заполнило, при производстве чипы наглухо «запечатывают» тонким слоем кремния. Однако молекулы гелия настолько малы, что проникают сквозь кристаллическую решетку кремния и мешают нормальной работе содержащегося внутри чипа микроскопического резонатора. В результате электроника сходит с ума, айфон выключается и перестает на что-либо реагировать.

О том, что гаджеты Apple не переносят гелий, в компании знают и даже предупреждают в руководстве пользователя: «Если iPhone находится в условиях с высокой концентрацией промышленных химикатов, в том числе вблизи испарившихся сжиженных газов, таких как гелий, возможно повреждение iPhone или нарушение его функциональности». Однако подобные ситуации так редки, что о них мало кто задумывается.

Впрочем, «продышавшись», большинство пострадавших устройств пришло в норму (правда, на это требуется довольно много времени — до нескольких дней). А производитель MEMS-датчиков, которые используются в iPhone, уверяет, что более новые поколения устройств невосприимчивы к подобным газам.

Берегите свои устройства

Пока инциденты с датчиками — скорее исключение, чем правило. Более того, производители постоянно улучшают свои продукты, а исследователи предлагают варианты защиты от смоделированных атак. Но на всякий случай рекомендуем вам держать свои гаджеты подальше от окон, баллонов с гелием и прочей химией.