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迎接「矽」聲代-MEMS揚聲器
千億美元音樂市場的變革

【作者: 籃貫銘】   2023年08月16日 星期三

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圖一 :   MEMS揚聲器最大的特色就是它使用微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems)技術來發出聲波。圖為xMEMS的MEMS揚聲器耳機。(拍攝/籃貫銘)
圖一 : MEMS揚聲器最大的特色就是它使用微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems)技術來發出聲波。圖為xMEMS的MEMS揚聲器耳機。(拍攝/籃貫銘)

聲音的原理,是物質受力後產生震動,再透過介質把震動所形成的能量波傳遞出去,而這個量波再被人耳(或任何物種)所接收、識別的一整個過程。在這個基礎上,人類發明了揚聲器(Speaker)。


揚聲器誕生於18世紀,到20世紀發展臻至成熟。目前主流的揚聲器形式幾乎皆採用永久磁鐵、線圈與錐形盆的結構來產生聲波,他們透過高速的電與磁的交互作用來發出不同頻率的聲波,是非常可靠且高質量的發聲裝置(或元件)。


在過去,這樣的發聲裝置並沒有什麼特別需要挑剔之處,儘管它存在著一些顯而易見的缺陷,例如結構脆弱、不易微小化,也不容易全自動化的量產(像線圈的繞線與組裝都相當仰賴人工)。但隨著行動(Mobile)與整合(Integration)的趨勢不斷的發展,傳統揚聲器的機構就成了一個難以克服的瓶頸。


但,現在有了第二個選擇-MEMS揚聲器。


什麼是MEMS揚聲器?

不同於傳統的架構,MEMS揚聲器最大的特色就是它使用微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems)技術來發出聲波。它沒有線圈,也不用磁鐵,因此它的結構相對簡單。更大的不同點,是它可以在半導體製程中實現,意味著它完全可以自動化量產。


那它究竟怎麼發出聲音?


顧名思義,MEMS揚聲器的聲音是透過MEMS技術來形成,但真正的難題在於如何「主動」產生震動,而且薄膜材料還要具備足夠的硬度和彈性,可以發出清晰可辨且高質量的聲波。


而這個問題,被一家美國新創公司xMEMS(知微電子)給突破了。


xMEMS是全球首家量產MEMS揚聲器單晶片的業者,雖然是一家美商,但它的主要成員與生產製造都和台灣有密切相關。執行長暨共同創辦人姜正耀(Joseph Jiang)也來自台灣,交大電子工程系畢業後,他便赴美發展,且一路都從事與MEMS技術相關的工作,包含InvenSense、富迪科技與樓氏電子(Knowles )。



圖二 :   xMEMS使用了一種只要施加電壓就能產生形變(震動)的技術,讓矽薄膜可以快速、精準地發出相應的音頻。(source:xMEMS;CTIMES製圖)
圖二 : xMEMS使用了一種只要施加電壓就能產生形變(震動)的技術,讓矽薄膜可以快速、精準地發出相應的音頻。(source:xMEMS;CTIMES製圖)

為了讓MEMS的矽薄膜可以產生震動,xMEMS使用了一種專利的壓電(Piezo MEMS)技術。這種壓電技術是一種使用壓電效應來產生震動的方法。而壓電效應是機械能與電能相互轉換的原理,它分成「正」與「逆」兩種壓電效應,xMEMS所採取的則是逆壓電效應。


簡單的說,xMEMS使用了一種只要施加電壓就能產生形變(震動)的技術,並開發出專屬的致動器(Piezo Actuator)和放大器(Aptos),讓矽薄膜可以快速、精準地發出相應的音頻,於是MEMS揚聲器,不,更正確的說法是「MEMS揚聲器單晶片」就此誕生了。


關於xMEMS的成立

至於如何想到要發展MEMS揚聲器?又為何使用壓電技術?Joseph在接受CTIMES專訪時,談到了他研發MEMS揚聲器的起心動念,以及當初成立xMEMS的過程。


「2017年,我在Knowles 擔任市場部副總,當時Knowles已是全球最大的MEMS麥克風廠商。那個時候我就在思考這個事(MEMS揚聲器),離開以後我就著手研究怎麼把它做出來。」Joseph回朔當時成立的經過。


在創立xMEMS之前,時任職於樓氏電子的Joseph,見證了MEMS麥克風的崛起。在當時,MEMS麥克風幾乎可說是以席捲之姿,在很短的時間內就取代了大部分的ECM麥克風市場。而這也激起了他發展MEMS揚聲器的念頭。


「既然MEMS麥克風可以,為什麼MEMS Speaker不行!」Joseph提了一個理所當然,但卻無人可竟的問題。當時市場上沒有MEMS揚聲器的原因其實相當的直白,就是它太難了,還沒有一個理想的解決方案能將之實現。


所以離開樓氏之後,Joseph便找了大學同學和以前的同事,在2018年成立了xMEMS,開始著手MEMS揚聲器的研發工作。



圖三 :   xMEMS執行長暨共同創辦人姜正耀(Joseph Jiang)來自台灣,一路都從事與MEMS技術相關的工作。(source:xMEMS)
圖三 : xMEMS執行長暨共同創辦人姜正耀(Joseph Jiang)來自台灣,一路都從事與MEMS技術相關的工作。(source:xMEMS)

從原理上來看,製作MEMS麥克風是相對容易的,因為它是偵測聲波在矽薄膜上的震動所產生的電容訊號差,並將之轉換為數位的音訊訊號,所以只需要很小的訊號量就可以進行轉換。但揚聲器不是,它需要把訊號放大,並一路傳遞到人耳內。


護國神山助了一臂之力

正苦於如何突破「發聲」困境的xMEMS,因緣際會的得知了台積電有一種壓電材料,正可滿足他們的應用需求。於是他們就向台積電提出了合作的提案,順利取得了關鍵的材料,並在美國的實驗室成功開發出了MEMS揚聲器。


當他們把研發成果向台積電展示之後,隨即說服了這家全球最大、世界最頂尖的晶片代工廠成為它的夥伴,並願意為他們代工生產MEMS揚聲器。


「台積電絕對不會隨便幫一家新創公司代工晶片,他們有很高的審查標準。」Joseph說道。


這雖不能說是背書,但台積電的決定幾乎就是一個十分有力的證據。他們在看過、聽過xMEMS的產品之後,就洞悉了這個產品的市場潛力,它的的確確有可能複製當年MEMS麥克風的發展脈絡,一舉顛覆揚聲器的市場。


而在台積電的大力支持下,xMEMS的產品良率皆達到相當不錯的目標(一般產品都可高於八成),同時台積也將會給予產能上的支援。



圖四 :   台積電為xMEMS的MEMS揚聲器代工。圖為其8吋製程晶圓。(拍攝/籃貫銘)
圖四 : 台積電為xMEMS的MEMS揚聲器代工。圖為其8吋製程晶圓。(拍攝/籃貫銘)

為什麼是MEMS揚聲器?

從商業觀點看一個產品的好與壞,至少要從兩個面向來判定,一個是產品的生產條件,另一個則是產品的使用體驗。假若產品的生產條件卓越,但體驗很差,那肯定不能算是好產品;反之,若體驗很好,但生產條件不佳,也很難取得成功。而MEMS揚聲器則在這兩個面向都取得了極佳的位置。


就生產條件來說,MEMS揚聲器是半導體製造流程中實現,可完全的自動化生產,因此品質、產能和產量都可以精準的控制。甚至後段的測試,xMEMS也設計了可擴展的全自動測試機台,以確保每一個MEMS揚聲器都具備相同的發聲品質。(傳統動圈式揚聲器的音量誤差可達數dB)


另一方面,MEMS揚聲器是所謂固態(Solid-state)的產品,沒有可動的部件,一顆晶片就是一個揚聲器,因此非常便於進行電子系統的設計規劃。再者,就是它具備很好的環境抗力,產品本身具有抗震、防塵與耐高溫的特性,尤其是抗震的特性,它能承受1萬g的力量,幾乎是沒有摔壞的可能,非常適合可攜式裝置應用。


小體積則是它的另一個強項。相較於目前最小的動圈揚聲器,則MEMS揚聲器的重量只有六分之一,體積小了40%,而且厚度只有1mm,幾乎可以放在任何的裝置之中。唯一的問題,可能是它真的太小了,要實現最佳的音質體驗,裝置的設計就需要一番思量。


然後它使用矽做為主材料,也就自然沒有特殊金屬材料(如釹和鈷)的需求,供應鏈管理相對輕鬆不少。


MEMS揚聲器的電路設計

就控制的觀點來看,MEMS揚聲器的本質就是一個數位電子系統,因為它是使用半導體技術來驅動的,所以它勢必有幾個基本的電子元件來運行,包含ADC、DSP和放大器(amplifier)等。其中最關鍵的,則是放大器。


「MEMS揚聲器對ADC或者DSP並沒有特殊的需求,但是放大器則需要特別設計。」針對電子系統,Joseph特別進行了說明。


他表示,在目前的手持裝置與穿戴系統中,xMEMS的放大器不僅僅提供信號源給揚聲器,更針對揚聲器的特性提供音質補償以及保護,具備智能化的功能。 但現在市場上主流的放大器都是針對傳統的線圈揚聲器所設計的,並無法相容共用。


「我們很早就發現市面上原有的放大器對xMEMS壓電揚聲器並不完全適用,也因此我們很早就開始設計自己的放大器-Aptos。」Joseph說道.


所以Aptos不僅僅只是作為訊號放大的功能而已,它還肩負著音質調教的功能,並與xMEMS壓電揚聲器產生最佳的音質,另也整合系統上的其他元件,實現最簡潔的設計,進而降低系統整體的材料成本(BOM)。


不過由於壓電材料需要專用的放大器,這也使得MEMS揚聲器需要多一些些的電耗。而根據xMEMS的實際測試資料,採用MEMS揚聲器將會減少約5%的電池壽命。


由此可知,一個系統要導入真正的MEMS揚聲器並不會是個無縫轉換的過程,它需要思考整體系統的電路配置,以及聲學與人因工程等因素,才能真正發揮出MEMS揚聲器的特色與優勢。


Joseph也透露,早期客戶還不了解MEMS揚聲器的時候,大部分客戶的要求都在價格是不是能更便宜。但之前的MEMS揚聲器並不是真正的MEMS揚聲器,而是以MEMS取代原有的線圈跟磁鐵,其他的構造跟傳統的揚聲器並沒有太大的突破。


「MEMS揚聲器與傳統線圈揚聲器發聲的方法並不完全相同。過去兩年,我們對於我們揚聲器的封裝設計、前後音艙的需求、頻響的控制,都有更深一層的認識與及改進,也能幫助客戶對於終端耳機產品的音質設計。」Joseph說明。



圖五 :   xMEMS目前的MEMS揚聲器解決方案,其中Aptos放大器不僅僅只是訊號放大的功能而已,還肩負著音質調教的功能。(拍攝/籃貫銘)
圖五 : xMEMS目前的MEMS揚聲器解決方案,其中Aptos放大器不僅僅只是訊號放大的功能而已,還肩負著音質調教的功能。(拍攝/籃貫銘)

用聲音品質一決勝負

撇開電子系統和音艙設計的差異,對品牌商來說,最重要的還是產品本身的競爭力,其中最重要的,就是產品的實際使用體驗。換而言之,就是消費者的聲音感受,而不得不說,xMEMS的音樂體驗還真是不錯。


筆者實際聆聽了xMEMS幾款不同方案的MEMS揚聲器耳機,包含最新一代的Montara Plus、搭載Cowell的2分頻揚聲器模組(2-way modules),以及能運用DSP來切換開放式與密閉式入耳式耳機音場的DynamicVent。


首先,一個非常明顯的感受就是「清晰」。整體MEMS揚聲器的聲音感受就是不拖泥帶水,幾乎所有的聲線都是明確可辨的直線,特別是人聲或者弦樂器這類以中高音為主的音頻,更能體現這個產品的優勢所在。


第二個特點,就是定位精準。當在播杜比音效 (Dolby Audio)時,MEMS揚聲器也展現了極佳的空間定位特性,這種快速的聲音流轉,似乎恰恰好迎合了矽薄膜材料的發聲特性,因此游刃有餘的完美詮釋。


有趣的是,英文會用「Crystal clear」來形容一個事物非常的明確清楚。而水晶的主要成分就是「矽」,而用矽做成的揚聲器的聲音,卻也是如此的明亮清晰!


「最好的發聲材料要質輕、堅硬、速度快。而矽剛好具備了這些特點」Joseph說道。


就材料硬度,矽比塑膠硬95倍,比鋁硬2.3倍,也比鈦硬1.3倍;在材料速度上,它比塑料高3.9倍,也比鈦和鋁高1.8倍。所以矽似乎天生就是要做為發聲材料的。


當然它也存在一些弱點,例如低音較為不足;成像明確,但音場並不深廣。不過整體而言,它的表現已經夠令人驚豔。而且現在仍是屬於MEMS揚聲器的發展早期,仍有很大的空間可以成長和改良。例如他們的2分頻揚聲器模組,就是整合了傳統揚聲器和MEMS揚聲器,將兩者各自的優點在一個耳機上實現,這就是個極好的嘗試。



圖六 :   xMEMS的2分頻揚聲器模組,是整合了傳統揚聲器和MEMS揚聲器。(拍攝/籃貫銘)
圖六 : xMEMS的2分頻揚聲器模組,是整合了傳統揚聲器和MEMS揚聲器。(拍攝/籃貫銘)

千億美元音樂市場的變革

很顯然的,xMEMS相當清楚自己產品的特色,因此早早就把主攻的市場鎖定在「高解析(Hi-Res)」和「空間音效(Spatial Audio)」兩大應用上。也就是強調MEMS揚聲器的高音質特色,以及精準的音訊定位,而這兩項正是當代主流的高階耳機的重要性能。因此,MEMS揚聲器將有很大的機會,可以在這個領域大殺四方。


那這個市場有多大?根據市調公司canalys的統計,2022年全球的真無線藍牙耳機(True Wireless Stereo,TWS)的出貨量為2.87億套,其中蘋果占了31%。整體的市場規模已有百億美元以上。而是分析機構Grand View Research也認為,隨著3.5mm插孔的逐漸取消,至2030年時,全球TWS立體聲耳機市場規模將達到5632億美元。而這僅僅只是TWS的市場而已。


事實上,除了TWS外,MEMS揚聲器也適用於助聽器,尤其是不須處方籤(OTC)的助聽器。再者,還有AR/VR等頭戴式的沉浸式影音裝置,以及高階的監聽式耳機,這都將是MEMS揚聲器的擅場。


「2021年底,我們第一次公開的對外展示我們的產品,當客戶對我們的音質感到驚艷時,我們確認了我們全矽微機電揚聲器的方向!」


「2022年的CES,從第一天的乏人問津,到最後一天我們的展示房人潮的水泄不通,我們更得到專業級耳機業者的認可。」Joseph回顧他們發表產品之後的市場轉折。


也由於MEMS揚聲器優異的聲音品質,目前已經吸引了多家國際耳機大廠的青睞,且正與xMEMS展開合作,將會把MEMS揚聲器導入他們的高階耳機產品之中,甚至還有業者開發了特別支援MEMS揚聲器的耳機擴大機,以呈現更頂尖的音樂表現。


另外,數位來自音樂產業的專家與部落客等(包含葛萊美獎母帶工程師Brian Lucey在內),都認為xMEMS的MEMS揚聲器將是未來的主流,甚至是產業的破壞性創新。



圖七 :  耳機大廠還推出了MEMS揚聲器專用的耳機擴大機。(source: iFi audio)
圖七 : 耳機大廠還推出了MEMS揚聲器專用的耳機擴大機。(source: iFi audio)

結語:朝向無限可能

改變正在發生,而我們有可能正站在這個變革的起點上,至於它的範圍有多大,影響有多深,我們目前仍不得而知。但至少有件事情可以肯定,MEMS揚聲器的誕生與普及,的的確確為電子系統設計帶來了正面的助益,它實現了更佳的整體效能,也讓聲音應用有了更多的可能性。而光這兩點,我們就可以預期它將會在聲音元件中佔有關鍵的一席。


此外,xMEMS也正持續拓展他們展品的應用範圍,要讓MEMS揚聲器全面進入現代人的生活之中,Joseph也透露,目前的成果(耳機)僅僅只是他們的第一步而已,距離他們真正的願景仍有一大段路,包含要取代電視上的揚聲器等。而其中一個令人興奮的發展方向,就是要取代喇叭(loudspeaker),也就是桌上型的音箱。而根據他們的說法,他們已經有了相關的技術與解決方案正在發展中,我們也就拭目以待。


而最大的一個願景,則是要進入智慧型手機,要徹底的突破目前手機揚聲器上的聲音效果,為行動音樂帶來顛覆性的變化。包含汽車、影視空間等,都在他們的雷達之中。


不過xMEMS也不只是要做「聽」的應用,還將探索更多元的MEMS應用領域。Joseph說,知微就是「見微知著」,而xMEMS的「x」代表要做的不只是聲音。


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