Что такое мемс в телевизоре

Обновлено: 16.05.2024

Микроэлектромеханические системы (MEMS) — это множество микроустройств самой разнообразной конструкции и назначения, в производстве которых используются модифицированные технологические приемы микроэлектроники. Обычно все элементы таких систем размещаются на общем кремниевом основании, размер которого составляет всего пару миллиметров.

Из-за этой особенности MEMS-устройства применяются повсюду: в измерительных приборах, телефонах, игровых приставках, видеокамерах, ноутбуках и так далее. Свое массовое применение MEMS-технологии получили и в производстве микроскопических микрофонов. Так, по прогнозам аналитиков, в ближайшем будущем рынок MEMS-микрофонов вырастет более чем на $ 773 млн —
с $ 325 млн в 2021 до $ 1 100 млн в 2025 году.

В этой статье мы расскажем, почему MEMS-микрофоны становятся настолько популярным решением для использования в персональных устройствах и гаджетах.

Устройство MEMS-микрофонов

MEMS-микрофон — это электроакустический прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические, который обладает достаточно малыми размерами для установки в плотно интегрированный продукт, например: смартфон, гарнитуру, спикерфон, ноутбук или в любое другое устройство. Принципиально важных элементов в таких микрофонах два: интегральная схема (ASIC) и MEMS-сенсор. Именно последний обеспечивает захват и последующую передачу звука.

В состав самого MEMS-сенсора входят гибкая мембрана и жестко зафиксированная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяя емкость между обкладками. Эти данные пересчитываются и выводятся в виде электрического сигнала на интегральную схему. Именно этот сигнал преобразуется в звук, который мы слышим.

Благодаря такому устройству в MEMS-микрофонах отсутствуют лишние элементы и их можно разместить на очень компактной кремниевой подложке, со сторонами не более 3-5 мм, что не больше размера обычных микросхем.

MEMS-микрофон под микроскопом. Диаметр мембраны чуть больше половины миллиметра

Преимущества MEMS-микрофонов:

Благодаря своему устройству MEMS-микрофоны обладают следующими преимуществами:

Большая устойчивость к шуму, вибрации и перепадам температуры за счет отсутствия лишних соединительных элементов.
Несколько MEMS-микрофонов можно скомбинировать вместе и создать единый массив. Благодаря емкостной технологии, такие микрофонные массивы могут захватывать звук с четко определенного направления, что позволяет эффективно подавлять эхо и посторонние шумы.
В отличие от других малогабаритных микрофонов, например электретных, MEMS-микрофоны включают большее количество дополнительных элементов, таких как предусилители, различные фильтры и аналого-цифровые преобразователи. Это означает более широкий функционал при сохранении микроскопических размеров.
Возможность крепления таких устройств на плате с помощью пайки.

Малые размеры MEMS-микрофонов почти ничем не ограничиваются. Для сравнения: самый малый MEMS-микрофон компании Akustica с площадью кристалла всего 1 кв.мм, а рядом более крупные аналоги

Недостатки MEMS-микрофонов:

Несмотря на многочисленные преимущества, MEMS-микрофоны также не лишены и недостатков:

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

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

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.

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.

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.

В последние годы устройства МЭМС стали очень популярными, поскольку мы можем найти их в различных элементах аппаратного обеспечения ПК, как в периферийных устройствах, так и в компонентах компьютера во всех его формах. От настольных ПК до смартфонов, которые есть у нас в кармане. Что такое устройства MEMS и как они работают?

Мы склонны считать, что то, что находится внутри нашего ПК, представляет собой чистую и жесткую электронику, цифровую или аналоговую, и что другие инженерные дисциплины не присутствуют в нашем ПК. Что ж, устройства МЭМС используются на вашем ПК ежедневно, всегда и не являются электронными компонентами. Посмотрим, что это такое и какие у них утилиты.

Что такое устройства MEMS?

МЭМС - это аббревиатура, обозначающая микроэлектромеханические системы, что переводится как микроэлектромеханические системы. Его особенность в том, что он максимально объединяет миниатюрные электромеханические системы, настолько, что их можно интегрировать в микросхему. Его сложность варьируется, и мы можем найти механизмы от очень простых механизмов до других, столь же сложных, как часы. Первыми из них, которые были внедрены на рынок, были акселерометры, которые до сих пор использовались в автомобильных подушках безопасности и в картриджах с чернилами для принтеров. Его популяризация? В Nintendo Сначала Wii, а позже появление смартфонов продемонстрировало, что акселерометры могут служить датчиками.

МЭМС - чрезвычайно сложные устройства для проектирования и производства, объединяющие несколько совершенно разных инженерных дисциплин. Во-первых, они интегрированы в электронные устройства, это механические устройства, в которых материалы также важны. Некоторые даже используют сложные технологии, такие как оптика и гидромеханика. И, несмотря на их огромную сложность, они присутствуют в сотнях миллионов устройств по ценам, которые обычно продаются за гроши.

Сегодня устройства MEMS используются для множества задач и принимают различные формы. Например, датчики давления микрофона - это устройства MEMS. Как измеряется температура процессоров и сообщается об их состоянии? Ну, устройство MEMS также позаботится об этом. Поэтому они используются для решения конкретных проблем, которые обычная электроника в двух ее отраслях не может решить.

Категоризация устройств MEMS

Магнитометры используются для определения направления во время навигации, то есть действуют как компасы.
Датчики расхода воздуха для холодильных систем.
Микрофоны MEMS, используемые для связи, многие из них объединяют системы шумоподавления.
Датчики температуры, которые сегодня используются для контроля тактовой частоты и температуры процессоров.
Инерционные системы или IMU, объединяющие гироскопы и акселерометры в единый блок. В автомобилях они используются вместе с датчиками MEMS, которые измеряют инерцию и движение, такими как акселерометры и гироскопы для систем управления торможением автомобилей.

Если говорить о периферийных устройствах, МЭМС-устройства используются во всевозможных устройствах. Мы можем найти их в струйных принтерах и сканерах, в проекторах изображений и даже на экранах, которые мы используем каждый день. Их величайшая особенность заключается в том, что, поскольку они интегрированы с процессорами и памятью, они не только предназначены для работы по отдельности, но также могут быть объединены друг с другом для создания сложных систем для решения конкретных систем. Очень вероятно, что эта функция, которая появляется в спецификациях компонента или периферийных устройств, которые вы не можете объяснить с точки зрения компьютерной архитектуры, является продуктом работы датчика MEMS.

В мире медицинской информатики устройства MEMS используются для ускорения диагностики. Сегодня есть планшеты с МЭМС-устройствами, которые могут сделать анализ крови за секунды и дать результаты. Следите за уровнем сахара в крови. Существуют даже медицинские имплантаты, в которых используется этот тип устройства, и они даже использовались в хирургических операциях, где требуется высокая точность. Как видите, для их проектирования и создания требуется не только несколько дисциплин, но они также полезны на многих рынках.

Какие у них есть преимущества и недостатки?

Прежде всего, устройства MEMS отлично подходят для измерений из-за их высокой чувствительности, которая идеально подходит для определенных сценариев, таких как телеметрия в компьютерном оборудовании. Причина, по которой многие ЦП и GPU / ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР конструкции жизнеспособны в определенных форм-факторах, размерах и потреблении - это не другое дело, потому что тактовые частоты настраиваются с помощью встроенного термометра, который является не чем иным, как устройством MEMS. То же самое можно сказать и о сенсорном экране вашего ноутбука, планшета или смартфона. Более того, их небольшой размер не только идеально подходит для интеграции компонентов, но и выполняет свою работу с очень низким энергопотреблением.

Самый большой его недостаток? Его конструкция настолько сложна, что очень немногие компании могут позволить себе создавать новые датчики MEMS, поскольку требуется несколько дисциплин. Для этого требуются годы разработки, в которой необходимы многопрофильные команды. Разработка также предполагает создание производственных и испытательных машин, что еще больше усложняет разработку новых устройств этого типа.

Таким образом, их самый большой недостаток заключается в стоимости разработки, что парадоксально, поскольку это устройства, которые продаются по очень низкой цене и стали частью нашей жизни. Устройства MEMS настолько широко используются в мире бытовой электроники, что производятся в больших количествах, что делает их цену очень низкой. Однако без них многие технологические достижения, которые мы наблюдали в последние годы, были бы невозможны.

Телевизоры последних поколений предлагают насыщенную, сочную и яркую картинку. Все это стало возможным благодаря использованию ряда технологий. Мы расскажем о каждой из них подробно, а также разберем путаницу в маркетинговых названиях.

Технология HDR

Данную аббревиатуру вы нередко встречаете в характеристиках телевизора и слышите в рекламе. Это одна из самых распространенных и важных технологий, которая дает ощутимое улучшение качества изображения.

HDR (High Dynamic Range) — стал дальнейшим развитием SDR (Standard Dynamic Range). Ранее из-за технологических ограничений в передаче информации данные урезались, поэтому изображение на телевизоре теряло в сочности, насыщенности и других деталях. Сейчас же с появлением HDMI 2.0 передача больших объемов данных не проблема, поэтому видеоконтент можно передавать практически без сжатия.

Расширенный диапазон оперирует тремя основными характеристиками изображения:

Яркость — определяет максимальное свечение белого цвета. Измеряется в кд/м 2 и для большинства телевизоров варьируется от 160 до 1500 кд/м 2 .
Контрастность — определяет разницу между черным и белым цветами. Чем выше параметр, тем сочнее будет черный и ярче белый.
Цветопередача — количество оттенков и цветов, которые способен отображать дисплей, напрямую зависит от битности матрицы.

Истинный HDR имеется только на телевизорах, которые соответствуют определенным критериям: яркость не менее 1000 кд/м 2 , матрица на 10 бит, высокая контрастность, наличие локальной подсветки и возможность подключения не ниже HDMI 2.0а.

Главная проблема — как узнать, действительно ли ваш телевизор поддерживает эту технологию? Маркетологи придумали десятки названий. Например, HDR+ и HDR Effect —
это маркетинговые названия имитации технологии HDR. Такие телевизоры лишь приближенно имитируют повышенное качество изображения.

ЕСли вам нужен настоящий HDR, то обращайте внимание именно на поддержку стандартов:

— базовый открытый стандарт, поддерживающий глубину видео 10 бит, 1,07 млрд оттенков и яркость до 4000 кд/м 2 . Главный недостаток — статические метаданые для всего видео. — авторская разработка компаний Samsung, Panasonic и 20th Century Fox. Главное отличие заключается в поддержке яркости до 10 000 кд/м 2 и динамических метаданных. — конкурентная технология от фирмы Dolby Labs. Имеет улучшенную глубину цвета до 12 бит, теоретический предел яркости в 10 000 кд/м 2 и большее число оттенков — 68,7 млрд. Применение этой технологии требует лицензирования, поэтому контента существенно меньше. — стандарт, продвигаемый компаниями BBC и NHK. Главная особенность — формат лучше совместим с уже существующими стандартами, а также позволяет транслировать HDR-контент на телевизоры с SDR, но только если последние поддерживают расширенную цветовую гамму WCG.

Если в технических характеристиках ТВ есть упоминание одного из этих четырех стандартов, то устройство способно воспроизводить видео с HDR. Главная сложность — найти соответствующий контент.

OLED-технология

Появление OLED действительно можно считать прорывом на фоне классической LED-подсветки, причем с ощутимым улучшением картинки. Обычные телевизоры со светодиодной подсветкой делятся на Edge LED и Direct LED. Первая предполагает размещение светодиодов по периметру, что приводит к появлению засветов по бокам. Вторая уже имеет светодиоды по всей площади, но все еще не способна обеспечить насыщенный черный цвет.

Принципиальное отличие OLED заключается в том, что в конструкции используются органические светодиоды, каждый из которых способен сам генерировать свет. Благодаря этому пропадает необходимость в использовании подсветки позади и других слоев. OLED-телевизоры способны контролировать яркость каждого отдельного пикселя, что делает картинку более контрастной, а черный цвет — супернасыщенным. Другое достоинство — такие модели более тонкие.

Телевизоры с OLED стоят ощутимо дороже, а главной проблемой является постепенное выгорание пикселей. Однако эта технология никакая не маркетинговая уловка, а самый настоящий прогресс в качестве.

Технология Motion Smoothing

У каждого бренда свое название этой технологи: Samsung Motion Rate, Sony MotionFlow, LG TruMotion. Несмотря на разные названия, принцип работы практически всегда идентичный. Motion Smoothing способна как улучшить изображение, так и ухудшить, поэтому ее использование актуально не для всех типов контента.

Видео может иметь частоту 24, 30 или 60 кадров в секунду в зависимости от источника. Однако телевизоры обладают частотой обновления экрана в 50, 60 и 120 Гц. Чтобы устранить несоответствие частоты обновления экрана и источника видео, применяется технология Motion Smoothing. Есть несколько алгоритмов ее работы:

Black Frame Insertions (BFI). Метод заключается в добавлении кадров с черным фоном. Это позволяет подтянуть частоту, уменьшает эффект размытия, но изображение становится менее ярким из-за мелькания черных кадров.

Дублирование. Вместо недостающих кадров алгоритм выставляет повторы в необходимом количестве. Но из-за этой методики изображение иногда ненадолго зависает или, наоборот, быстро прыгает.

Включать Motion Smoothing рекомендуется в сценах с постоянной динамикой. Это могут быть гонки, футбол, баскетбол и другие виды спорта. При просмотре фильмов или сериалов функцию лучше отключить, чтобы повысить четкость изображения. Практически в каждом телевизоре это можно сделать через стандартное меню.

Технология апскейлинга (Upscaling)

Если по-русски, то это обычное масштабирование. Большинство контента все еще поставляется в форматах HD (720p) и Full-HD (1080p). Соответственно, для просмотра такого видео на 4К или 8К-телевизорах картинку придется растягивать и дополнять данными. Чем больше разница в разрешении, тем больше пикселей придется дорисовать.

В большинстве телевизоров, способных делать апскейлинг до 4К и выше, используется ИИ на базе нейросетей. У каждого разработчика не только свой алгоритм, но и собственная база изображений в разных разрешениях, которые используются нейросетью для анализа.

Функция апскейлинга незаменима для 4К и 8К телевизоров, но ее эффективность можно узнать только на практике, поскольку каждый производитель использует свои процессоры и технологии. Однако применение ИИ однозначно дает лучший результат, чем ранее описанные классические методы.

Цифровое шумоподавление

2D DNR (Digital Noise Reduction). Простейший метод устранения шумов, который анализирует пиксели в одном из двух направлений — пространственном или временном. В первом случае анализируются пиксели одного кадра, а во втором пиксели сравниваются с двумя соседними. Используется компенсационный или адаптивный методы фильтрации. Недостаток 2D DNR — расплывчатость изображения и возможная потеря в цветности.

3D DNR использует и пространственный и временной анализ пикселей, что позволяет эффективно удалять помехи и не терять в качестве изображения. Алгоритм учитывает и вектор движения, и положение пикселей в кадре. Поскольку большинство помех не статические, то они легко устраняются.

Каким бы не было название функции шумоподавления, обычно в ее основе лежит 2D или 3D DNR. Включать шумоподавление рекомендуется только для контента в низком качестве. Например, если вы смотрите аналоговое или не самое качественное цифровое ТВ. Для Blu-Ray или контента из стриминговых сервисов шумоподавление лучше отключить, поскольку картинка может потерять в четкости.

Динамический контраст

Часть телевизоров предлагает и такую функцию. Суть заключается в том, что ТВ автоматически подбирает уровень контрастности в зависимости от изображения, как правило, путем регулировки отдельных светодиодов подсветки. Соответственно, динамический контраст работает лучше всего на Direct LED с большим количеством светодиодов, а также на OLED телевизорах, где можно контролировать буквально любой пиксель.

Однако многие пользователи утверждают, что динамическая контрастность по факту ухудшает качество картинки. Проблема в том, что освещенность комнаты остается неизменной, поэтому оптимальный уровень контрастности следует подбирать именно под окружение, а не постоянно менять его в зависимости от сцены. К тому же, увеличение яркости белого обычно отрицательно сказывается на насыщенности черного. Иногда изменение подсветки просто не успевает под смену кадров, что также вносит дискомфорт при просмотре.

Локальное затенение и микродимминг

Еще одна пара технологий, которые частично связаны с динамическим контрастом и между собой. Локальное затенение аналогично динамической контрастности регулирует уровень подсветки отдельных светодиодов/пикселей. Это позволяет делать черный цвет более насыщенным. Эффект напрямую зависит от плотности и возможностей светодиодов.

Технология микродиминга (Samsung — Micro Dimming, Panasonic и Toshiba — Local Dimming, LG — Edge) — это фактически то же самое, что и локальное затенение. Отличия лишь в размере массива светодиодов, яркость которых можно менять. Эффективность зависит от динамичности видео и уровня освещенности помещения.

Теперь вы точно знаете, какие технологии принесут вам пользу, а какие — нет. Поделитесь в комментариях своим опытом использования функций улучшения изображния на ТВ.

Читайте также: