全硅MEMS扬声器，或将掀起新一轮消费电子创新浪潮

电子发烧友网报道（文/黄晶晶）如今消费电子市场无论是智能手机还是TWS耳机、智能手表等都同样面临着创新乏力的局面。我们不禁要思考还有哪些技术创新能够给消费电子带来新高度。一种全硅MEMS扬声器成为许多厂商感兴趣的新技术，并有望加快得到应用。
 
“我们知道音频技术的主要发展方向是更高好的音质，更沉浸的音频以及更佳的完整性。其中高保真的音质很关键，还有更沉浸、更具空间感的音频，Apple、Dolby 等厂商都在下功夫，同时音频技术也有助于助听器、辅听器及相关功能的发展。”xMEMS知微电子联合创始人Joseph Jiang接受电子发烧友网等媒体采访时表示。
 

图：xMEMS知微电子联合创始人Joseph Jiang

 
Joseph Jiang表示，目前所有的线圈（动圈）单元的频宽都有限，无法做到全频，甚至在8kHz以上就已非常吃力。但是，全硅MEMS方案就可同时满足高保真、沉浸感、助听辅听功能的需求，这就给全硅MEMS方案提供了机会。
 
全硅MEMS扬声器
 
由于采用硅膜的整体结构，MEMS 扬声器具备多种优势，不仅拥有更精确、高保真、更高分辨率的音质，更具备防尘防水、高可靠性、可大批量量产等特性，将加速已有百年历史的动圈扬声器市场变革。
 
目前xMEMS已推出 4 款全硅MEMS产品，其中Montara、Montara Plus 是全频MEMS扬声器，Cowell 是目前业内最小的MEMS扬声器，Skyline 则是业内首款支持主动环境声音控制的动态阀门。
 
第一代产品Montara在两年前推出，实现零的突破，第二代产品Cowell扬声器的单位面积可发出声音比第1代多出84%，体积更小，价格也可节省将近一半。xMEMS在今年Q1宣布第二代Cowell 扬声器进入量产，Q2宣布两颗模组量产，Q3宣布第三代Montara Plus可以开始量产。
 

图源：电子发烧友网拍摄
 

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一般来说，动圈式耳机得益于振膜特殊的阻尼特性曲线，其声音在低频上较丰厚，对高频音频信号的频率响应较差。动铁式耳机具备优秀的解析力，瞬态响应迅速。但频响范围窄，所以动铁耳机需要多个动铁单元分别负责不同频率的响应。
 
而xMEMS 扬声器的全频率约在20Hz~20KHz，这也是人耳能听到的频率。高保真耳机频率标准在50Hz~12.5KHz，已经有许多音频厂商将频宽加大，部分加大到8kHz以上，甚至12kHz、16kHz，对于MEMS扬声器是很好的机会。
 
Joseph Jiang表示，由于在放大器设计上不一样，MEMS扬声器的功耗会比动圈功耗稍大，大约在4%-6%之间。但是由于 MEMS 扬声器的体积小，为电池容量扩大提供了空间。以中长期视角来看，考虑到音频放大器的演进，MEMS 扬声器的功耗会比传统扬声器更低。
 
另外，成本方面，xMEMS 扬声器成本已经比某些动铁便宜，且跟动圈越来越接近。但许多客户会因为声音较好而接受很小的价差。调试成本方面，MEMS 扬声器和传统扬声器差不多。
 
Cowell 拥有顶部发声、侧边发声两种不同配置，可依据耳机或其他音频设备的内部设计空间灵活选择。由于在发声薄膜上应用了压电材料，芯片在上电压时位移的幅度更大。在设计时还设置了一些孔道，让位移继续加大，使得推动的空气更多，产生更大的声音。另外，Cowell 也可与传统动圈单元搭配使用，并可通过不同的方案实现分频。
 

图源：电子发烧友网拍摄
 

图源：xMEMS

 
关于和动圈封装在一起的问题，Joseph Jiang解析道，由于哈曼曲线的存在，人耳往往偏好更大声的低频，但由于现在很少产品能和动圈单元一样在低频发出足够大的声音，在这种情况下，xMEMS 扬声器配合传统线圈（用于发出低频声音）是成本表现较好、综合来看较均衡的解决方案。不过，这仍是过渡阶段的解决方案。一般会认为，MEMS 扬声器的低频相对薄弱，但是在实验室中我们已经完成了单芯片的方案，我们的扬声器在低频已经跑到150Hz，有了不小的突破。
 
xMEMS 的Skyline是业内首款支持主动环境声音控制的动态阀门，可实现阀门的自由控制。凭借这一特性，厂商可以将 Skyline应用在降噪耳机、睡眠耳机等不同案例。
 
DynamicVant（动态阀门）能让耳朵佩戴助听器通话时更舒服、更清楚，这不是最新的概念，许多 2000、3000 美元价位的助听器已经有相应的特性出现。
 
Joseph Jiang说，许多公司在做这种动态阀门时面临挑战：一是体积过大；二是开关时具有机械开关声；三则是不抗汗。但 xMEMS 具有 DynamicVant的Skyline，对于这三个问题都可以解决。
 
目前，xMEMS 已经有好几个解决方案推出，客户可以直接使用 TWS 方案，也可以对方案中的任何零件进行替换，在10月还即将推出 Sleep Buds 睡眠耳机的方案。
 
提升降噪效果
 
目前在耳机的几种降噪中比较流行的ANC 主动降噪，它是通过麦克风抓取噪音、送 DSP 处理，然后发出相反信号进行消除，这种方法可以消除环境噪音，例如飞机引擎等持续性的噪音。但是目前 ANC 存在挑战，由于传统线圈的工作原理存在延迟，反应时间比较慢，很难处理不是固定频率的噪音，例如小孩的哭声。
 
而xMEMS的MEMS扬声器的反应时间则非常少。传统动圈耳机从拾音到播放大概需要 5-7 毫秒，但采用 xMEMS 产品后可以减少到 2-3 微妙，如果再加上Piezo麦克风的话，整个延迟时间就只剩下DSP的反应时间而已，让降噪的范围更大、频率更高。
 
从TWS到助听器、手表、车载等应用广泛
 
目前全硅MEMS扬声器主要应用于TWS耳机、OTC助听器，前景十分可观，由于体积小重量轻还可用于头戴式耳机等。还有手表越来越薄，也有越来越多人戴着手表打球、进行剧烈运动，而xMEMS 扬声器不仅很薄，且不怕振动。
 

图源：xMEMS
 

图源：xMEMS

 
此外，随着智能电视的薄型化，例如目前65寸电视最薄7cm，目标5cm，阻碍之处就在于扬声器太厚。xMEMS 的扬声器可以达到约1cm多厚度，未来用做大型扬声器厚度应该在1.6cm左右，完全能够满足电视的需要。
 
车企对xMEMS的扬声器也颇感兴趣。因高频有很大的方向性，有的车企认为可以做出个人化的音频系统，也有车企觉得可以放在A柱中。此外，还有客户利用超高频、超声波的特性用于驱赶老鼠等应用。
 
目前不少手机厂商想将扬声器小型化，而xMEMS 也希望做出一个MEMS全硅 loudspeaker（外放扬声器，可以取代手机中的传统扬声器）。Joseph Jiang表示，手机扬声器目前很难做，是因为声音在自由空间、尤其是低频会掉得很快。目前 xMEMS 的其中一个研发方向是用超声波来载波，例如用 100kHz 来载波 100Hz，相当于在单元时间内播放多次，就能让声音更大，该项目仍在研发之中。xMEMS更大的愿景是制造出MEMS大型扬声器，让家庭剧院不再需要低音喇叭，更不需要 5.1、7.2 声道等，而是让每一个扬声器、音响都是全频，且体积十分小巧。
 
xMEMS的MEMS扬声器生产已经实现全自动化且品质可靠。xMEMS 现在每月可达 50 万颗的产量，到今年年底时每月可达 100万颗，明年Q1结束时则可达每月150万颗。同时，xMEMS也在与台积电密切交流，寻求提升芯片产能。可见xMEMS做好了充足的供应保障。预计在今年年底的圣诞季之前，将有 15-17个采用xMEMS的产品上架。对于这项技术创新，的确十分值得期待。