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迎接「矽」声代━MEMS扬声器
千亿美元音乐市场的变革

【作者: 籃貫銘】2023年08月16日 星期三

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图一 :   MEMS扬声器最大的特色就是它使用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)技术来发出声波。图为xMEMS的MEMS扬声器耳机。(拍摄/篮贯铭)
图一 : MEMS扬声器最大的特色就是它使用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)技术来发出声波。图为xMEMS的MEMS扬声器耳机。(拍摄/篮贯铭)

声音的原理,是物质受力後产生震动,再透过介质把震动所形成的能量波传递出去,而这个量波再被人耳(或任何物种)所接收、识别的一整个过程。在这个基础上,人类发明了扬声器(Speaker)。


扬声器诞生於18世纪,到20世纪发展臻至成熟。目前主流的扬声器形式几??皆采用永久磁铁、线圈与锥形盆的结构来产生声波,他们透过高速的电与磁的交互作用来发出不同频率的声波,是非常可靠且高质量的发声装置(或元件)。


在过去,这样的发声装置并没有什麽特别需要挑剔之处,尽管它存在着一些显而易见的缺陷,例如结构脆弱、不易微小化,也不容易全自动化的量产(像线圈的绕线与组装都相当仰赖人工)。但随着行动(Mobile)与整合(Integration)的趋势不断的发展,传统扬声器的机构就成了一个难以克服的瓶颈。


但,现在有了第二个选择━MEMS扬声器。


什麽是MEMS扬声器?

不同於传统的架构,MEMS扬声器最大的特色就是它使用微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)技术来发出声波。它没有线圈,也不用磁铁,因此它的结构相对简单。更大的不同点,是它可以在半导体制程中实现,意味着它完全可以自动化量产。


那它究竟怎麽发出声音?


顾名思义,MEMS扬声器的声音是透过MEMS技术来形成,但真正的难题在於如何「主动」产生震动,而且薄膜材料还要具备足够的硬度和弹性,可以发出清晰可辨且高质量的声波。


而这个问题,被一家美国新创公司xMEMS(知微电子)给突破了。


xMEMS是全球首家量产MEMS扬声器单晶片的业者,虽然是一家美商,但它的主要成员与生产制造都和台湾有密切相关。执行长暨共同创办人姜正耀(Joseph Jiang)也来自台湾,交大电子工程系毕业後,他便赴美发展,且一路都从事与MEMS技术相关的工作,包含InvenSense、富迪科技与楼氏电子(Knowles )。



图二 :   xMEMS使用了一种只要施加电压就能产生形变(震动)的技术,让矽薄膜可以快速、精准地发出相应的音频。(source:xMEMS;CTIMES制图)
图二 : xMEMS使用了一种只要施加电压就能产生形变(震动)的技术,让矽薄膜可以快速、精准地发出相应的音频。(source:xMEMS;CTIMES制图)

为了让MEMS的矽薄膜可以产生震动,xMEMS使用了一种专利的压电(Piezo MEMS)技术。这种压电技术是一种使用压电效应来产生震动的方法。而压电效应是机械能与电能相互转换的原理,它分成「正」与「逆」两种压电效应,xMEMS所采取的则是逆压电效应。


简单的说,xMEMS使用了一种只要施加电压就能产生形变(震动)的技术,并开发出专属的致动器(Piezo Actuator)和放大器(Aptos),让矽薄膜可以快速、精准地发出相应的音频,於是MEMS扬声器,不,更正确的说法是「MEMS扬声器单晶片」就此诞生了。


关於xMEMS的成立

至於如何想到要发展MEMS扬声器?又为何使用压电技术?Joseph在接受CTIMES专访时,谈到了他研发MEMS扬声器的起心动念,以及当初成立xMEMS的过程。


「2017年,我在Knowles 担任市场部??总,当时Knowles已是全球最大的MEMS麦克风厂商。那个时候我就在思考这个事(MEMS扬声器),离开以後我就着手研究怎麽把它做出来。」Joseph回??当时成立的经过。


在创立xMEMS之前,时任职於楼氏电子的Joseph,见证了MEMS麦克风的崛起。在当时,MEMS麦克风几??可说是以席卷之姿,在很短的时间内就取代了大部分的ECM麦克风市场。而这也激起了他发展MEMS扬声器的念头。


「既然MEMS麦克风可以,为什麽MEMS Speaker不行!」Joseph提了一个理所当然,但却无人可竟的问题。当时市场上没有MEMS扬声器的原因其实相当的直白,就是它太难了,还没有一个理想的解决方案能将之实现。


所以离开楼氏之後,Joseph便找了大学同学和以前的同事,在2018年成立了xMEMS,开始着手MEMS扬声器的研发工作。



图三 :   xMEMS执行长暨共同创办人姜正耀(Joseph Jiang)来自台湾,一路都从事与MEMS技术相关的工作。(source:xMEMS)
图三 : xMEMS执行长暨共同创办人姜正耀(Joseph Jiang)来自台湾,一路都从事与MEMS技术相关的工作。(source:xMEMS)

从原理上来看,制作MEMS麦克风是相对容易的,因为它是侦测声波在矽薄膜上的震动所产生的电容讯号差,并将之转换为数位的音讯讯号,所以只需要很小的讯号量就可以进行转换。但扬声器不是,它需要把讯号放大,并一路传递到人耳内。


护国神山助了一臂之力

正苦於如何突破「发声」困境的xMEMS,因缘际会的得知了台积电有一种压电材料,正可满足他们的应用需求。於是他们就向台积电提出了合作的提案,顺利取得了关键的材料,并在美国的实验室成功开发出了MEMS扬声器。


当他们把研发成果向台积电展示之後,随即说服了这家全球最大、世界最顶尖的晶片代工厂成为它的夥伴,并愿意为他们代工生产MEMS扬声器。


「台积电绝对不会随便帮一家新创公司代工晶片,他们有很高的审查标准。」Joseph说道。


这虽不能说是背书,但台积电的决定几??就是一个十分有力的证据。他们在看过、听过xMEMS的产品之後,就洞悉了这个产品的市场潜力,它的的确确有可能复制当年MEMS麦克风的发展脉络,一举颠覆扬声器的市场。


而在台积电的大力支持下,xMEMS的产品良率皆达到相当不错的目标(一般产品都可高於八成),同时台积也将会给予产能上的支援。



图四 :   台积电为xMEMS的MEMS扬声器代工。图为其8寸制程晶圆。(拍摄/篮贯铭)
图四 : 台积电为xMEMS的MEMS扬声器代工。图为其8寸制程晶圆。(拍摄/篮贯铭)

为什麽是MEMS扬声器?

从商业观点看一个产品的好与坏,至少要从两个面向来判定,一个是产品的生产条件,另一个则是产品的使用体验。假若产品的生产条件卓越,但体验很差,那肯定不能算是好产品;反之,若体验很好,但生产条件不隹,也很难取得成功。而MEMS扬声器则在这两个面向都取得了极隹的位置。


就生产条件来说,MEMS扬声器是半导体制造流程中实现,可完全的自动化生产,因此品质、产能和产量都可以精准的控制。甚至後段的测试,xMEMS也设计了可扩展的全自动测试机台,以确保每一个MEMS扬声器都具备相同的发声品质。(传统动圈式扬声器的音量误差可达数dB)


另一方面,MEMS扬声器是所谓固态(Solid-state)的产品,没有可动的部件,一颗晶片就是一个扬声器,因此非常便於进行电子系统的设计规划。再者,就是它具备很好的环境抗力,产品本身具有抗震、防尘与耐高温的特性,尤其是抗震的特性,它能承受1万g的力量,几??是没有摔坏的可能,非常适合可携式装置应用。


小体积则是它的另一个强项。相较於目前最小的动圈扬声器,则MEMS扬声器的重量只有六分之一,体积小了40%,而且厚度只有1mm,几??可以放在任何的装置之中。唯一的问题,可能是它真的太小了,要实现最隹的音质体验,装置的设计就需要一番思量。


然後它使用矽做为主材料,也就自然没有特殊金属材料(如??和钴)的需求,供应链管理相对轻松不少。


MEMS扬声器的电路设计

就控制的观点来看,MEMS扬声器的本质就是一个数位电子系统,因为它是使用半导体技术来驱动的,所以它势必有几个基本的电子元件来运行,包含ADC、DSP和放大器(amplifier)等。其中最关键的,则是放大器。


「MEMS扬声器对ADC或者DSP并没有特殊的需求,但是放大器则需要特别设计。」针对电子系统,Joseph特别进行了说明。


他表示,在目前的手持装置与穿戴系统中,xMEMS的放大器不仅仅提供信号源给扬声器,更针对扬声器的特性提供音质补偿以及保护,具备智能化的功能。 但现在市场上主流的放大器都是针对传统的线圈扬声器所设计的,并无法相容共用。


「我们很早就发现市面上原有的放大器对xMEMS压电扬声器并不完全适用,也因此我们很早就开始设计自己的放大器━Aptos。」Joseph说道.


所以Aptos不仅仅只是作为讯号放大的功能而已,它还肩负着音质调教的功能,并与xMEMS压电扬声器产生最隹的音质,另也整合系统上的其他元件,实现最简洁的设计,进而降低系统整体的材料成本(BOM)。


不过由於压电材料需要专用的放大器,这也使得MEMS扬声器需要多一些些的电耗。而根据xMEMS的实际测试资料,采用MEMS扬声器将会减少约5%的电池寿命。


由此可知,一个系统要导入真正的MEMS扬声器并不会是个无缝转换的过程,它需要思考整体系统的电路配置,以及声学与人因工程等因素,才能真正发挥出MEMS扬声器的特色与优势。


Joseph也透露,早期客户还不了解MEMS扬声器的时候,大部分客户的要求都在价格是不是能更便宜。但之前的MEMS扬声器并不是真正的MEMS扬声器,而是以MEMS取代原有的线圈跟磁铁,其他的构造跟传统的扬声器并没有太大的突破。


「MEMS扬声器与传统线圈扬声器发声的方法并不完全相同。过去两年,我们对於我们扬声器的封装设计、前後音舱的需求、频响的控制,都有更深一层的认识与及改进,也能帮助客户对於终端耳机产品的音质设计。」Joseph说明。



图五 :   xMEMS目前的MEMS扬声器解决方案,其中Aptos放大器不仅仅只是讯号放大的功能而已,还肩负着音质调教的功能。(拍摄/篮贯铭)
图五 : xMEMS目前的MEMS扬声器解决方案,其中Aptos放大器不仅仅只是讯号放大的功能而已,还肩负着音质调教的功能。(拍摄/篮贯铭)

用声音品质一决胜负

撇开电子系统和音舱设计的差异,对品牌商来说,最重要的还是产品本身的竞争力,其中最重要的,就是产品的实际使用体验。换而言之,就是消费者的声音感受,而不得不说,xMEMS的音乐体验还真是不错。


笔者实际聆听了xMEMS几款不同方案的MEMS扬声器耳机,包含最新一代的Montara Plus、搭载Cowell的2分频扬声器模组(2-way modules),以及能运用DSP来切换开放式与密闭式入耳式耳机音场的DynamicVent。


首先,一个非常明显的感受就是「清晰」。整体MEMS扬声器的声音感受就是不拖泥带水,几??所有的声线都是明确可辨的直线,特别是人声或者弦乐器这类以中高音为主的音频,更能体现这个产品的优势所在。


第二个特点,就是定位精准。当在播杜比音效 (Dolby Audio)时,MEMS扬声器也展现了极隹的空间定位特性,这种快速的声音流转,似??恰恰好迎合了矽薄膜材料的发声特性,因此游刃有馀的完美诠释。


有趣的是,英文会用「Crystal clear」来形容一个事物非常的明确清楚。而水晶的主要成分就是「矽」,而用矽做成的扬声器的声音却也是如此的明亮清晰!


「最好的发声材料要质轻、坚硬、速度快。而矽刚好具备了这些特点」Joseph说道。


就材料硬度,矽比塑胶硬95倍,比铝硬2.3倍,也比??硬1.3倍;在材料速度上,它比塑料高3.9倍,也比??和铝高1.8倍。所以矽似??天生就是要做为发声材料的。


当然它也存在一些弱点,例如低音较为不足;成像明确,但音场并不深广。不过整体而言,它的表现已经够令人惊艳。而且现在仍是属於MEMS扬声器的发展早期,仍有很大的空间可以成长和改良。例如他们的2分频扬声器模组,就是整合了传统扬声器和MEMS扬声器,将两者各自的优点在一个耳机上实现,这就是个极好的尝试。



图六 :   xMEMS的2分频扬声器模组,是整合了传统扬声器和MEMS扬声器。(拍摄/篮贯铭)
图六 : xMEMS的2分频扬声器模组,是整合了传统扬声器和MEMS扬声器。(拍摄/篮贯铭)

千亿美元音乐市场的变革

很显然的,xMEMS相当清楚自己产品的特色,因此早早就把主攻的市场锁定在「高解析(Hi-Res)」和「空间音效(Spatial Audio)」两大应用上。也就是强调MEMS扬声器的高音质特色,以及精准的音讯定位,而这两项正是当代主流的高阶耳机的重要性能。因此,MEMS扬声器将有很大的机会,可以在这个领域大杀四方。


那这个市场有多大?根据市调公司canalys的统计,2022年全球的真无线蓝牙耳机(True Wireless Stereo,TWS)的出货量为2.87亿套,其中苹果占了31%。整体的市场规模已有百亿美元以上。而是分析机构Grand View Research也认为,随着3.5mm??孔的逐渐取消,至2030年时,全球TWS立体声耳机市场规模将达到5632亿美元。而这仅仅只是TWS的市场而已。


事实上,除了TWS外,MEMS扬声器也适用於助听器,尤其是不须处方签(OTC)的助听器。再者,还有AR/VR等头戴式的沉浸式影音装置,以及高阶的监听式耳机,这都将是MEMS扬声器的擅场。


「2021年底,我们第一次公开的对外展示我们的产品,当客户对我们的音质感到惊艳时,我们确认了我们全矽微机电扬声器的方向!」


「2022年的CES,从第一天的乏人问津,到最後一天我们的展示房人潮的水泄不通,我们更得到专业级耳机业者的认可。」Joseph回顾他们发表产品之後的市场转折。


也由於MEMS扬声器优异的声音品质,目前已经吸引了多家国际耳机大厂的青睐,且正与xMEMS展开合作,将会把MEMS扬声器导入他们的高阶耳机产品之中,甚至还有业者正在开发MEMS扬声器专用的扩大机,以呈现更顶尖的音乐表现。


另外,数位来自音乐产业的专家与部落客等(包含葛莱美奖母带工程师Brian Lucey在内),都认为xMEMS的MEMS扬声器将是未来的主流,甚至是产业的破坏性创新。



图七 :  耳机大厂还推出了MEMS扬声器专用的耳机扩大机。(source: iFi audio)
图七 : 耳机大厂还推出了MEMS扬声器专用的耳机扩大机。(source: iFi audio)

结语:朝向无限可能

改变正在发生,而我们有可能正站在这个变革的起点上,至於它的范围有多大,影响有多深,我们目前仍不得而知。但至少有件事情可以肯定,MEMS扬声器的诞生与普及,的的确确为电子系统设计带来了正面的助益,它实现了更隹的整体效能,也让声音应用有了更多的可能性。而光这两点,我们就可以预期它将会在声音元件中占有关键的一席。


此外,xMEMS也正持续拓展他们展品的应用范围,要让MEMS扬声器全面进入现代人的生活之中,Joseph也透露,目前的成果(耳机)仅仅只是他们的第一步而已,距离他们真正的愿景仍有一大段路,包含要取代电视上的扬声器等。而其中一个令人兴奋的发展方向,就是要取代喇叭(loudspeaker),也就是桌上型的音箱。而根据他们的说法,他们已经有了相关的技术与解决方案正在发展中,我们也就拭目以待。


而最大的一个愿景,则是要进入智慧型手机,要彻底的突破目前手机扬声器上的声音效果,为行动音乐带来颠覆性的变化。包含汽车、影视空间等,都在他们的雷达之中。


不过xMEMS也不只是要做「听」的应用,还将探索更多元的MEMS应用领域。Joseph说,知微就是「见微知着」,而xMEMS的「x」代表要做的不只是声音。


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