音頻領域一小步，MEMS揚聲器一大步，首款純正壓電MEMS揚聲器發布

2022年10月03日09:02:41 熱門 1123

● 這是全球首款真正的單晶元MEMS揚聲器，提供了高保真、全帶寬音頻和低THD，理想地適用於各種個人音頻設備，例如真無線立體聲（TWS）耳機、入耳式耳機以及頭戴式耳機等；

● 這款MEMS揚聲器用高精度、高一致性的單晶元半導體工藝，取代了音圈揚聲器延續數十年的工廠組裝生產（例如動圈式和動鐵式耳機）；

● 作為全球首款IP 57等級的微型揚聲器，無需特殊保護網或覆蓋物，便可實現防水防塵；

● 全球首款SMT-ready揚聲器；

● 現在即可提供工程樣品，預計2021年初量產。

據麥姆斯諮詢報道，xMEMS Labs近日宣布推出全球第一款真正的單晶元MEMS揚聲器：Montara。Montara的誕生是音頻領域的一小步，卻是MEMS揚聲器的一大步，它可以為各種個人音頻設備（例如TWS耳機、入耳式耳機以及頭戴式耳機等）提供高保真、全帶寬音頻和低總諧波失真（THD）等特性。一直非常低調的xMEMS由此重新定義了「發聲」。Montara也是世界上第一款IP 57等級的微型揚聲器，能夠提供出色的防水防塵性能。Montara將通過更高的解析度、豐富的細節、極低的延遲、優異的防水防塵性能以及更長的收聽時間，為消費者提供更好的音頻體驗。

據xMEMS表示，Montara前期的重要目標市場是即將推出的防水真無線耳機。Montara採用高精度、高一致性的單晶元半導體工藝，旨在直接替代當前常用的動圈式和動鐵式揚聲器。接下來，xMEMS將推動智能手機揚聲器設計的變革，未來，xMEMS還將面向家庭音頻和汽車揚聲器等應用開發新款MEMS揚聲器。

xMEMS成立於2018年1月，公司目前已擁有10項授權專利，還有70多項專利申請正在審查中。xMEMS核心團隊成員此前曾在TDK、Invensense和Knowles等公司工作，為消費電子應用設計了很多成功的器件，交付量達到數十億顆。目前，xMEMS總部位於美國加州的聖克拉拉，並在台灣竹北設有辦公室。xMEMS憑藉高性能小尺寸的壓電MEMS揚聲器解決方案，計劃在音頻領域大展身手。

Montara通過在硅晶圓上構建整個揚聲器（執行器、振膜），降低了封裝高度，並消除了由於振膜固有的一致性問題所需要的驅動匹配和校準，超越了早期的混合式MEMS揚聲器。Montara的設計創新和單晶元壓電MEMS製造，實現了精確驅動、高品質聲音以及揚聲器的一致性和可重複性。

xMEMS對其首款真正的MEMS揚聲器進行了多項性能測試和對比分析，結果表明該設計是耳塞和耳機的理想解決方案。Montara在整個頻率範圍內展現了更大的聲量，並且具有卓越的高音和良好的低音表現，寬動態範圍，以及極低的THD。標準款Montara採用6個發聲單元，能夠提供高達113 dB的SPL（採用IEC60318-4耦合器測量）。更重要的是，在器件中使用的半導體工藝可以實現高一致性的振膜運動，這對於應用主動補償以改善THD結果至關重要。

這與傳統工廠組裝生產的差異性較大的音圈驅動揚聲器形成了鮮明對比，這些揚聲器匹配難度較大，並且交付的產品經常會出現左右聲道之間的差異。與動鐵式揚聲器相比，Montara的尺寸更小，外形非常輕薄（僅厚1 mm），重量更輕，可以在緊湊型耳塞中更靈活地安置，並且SMT-ready，支持徑直或側面燒結接合。

xMEMS純硅MEMS揚聲器的製造與傳統揚聲器有很大不同。其壓電MEMS揚聲器跟其它硅晶元的設計一樣，本質上是通過典型光刻、刻蝕等工藝製造的單晶元。由於採用這種整體設計，相比音圈揚聲器其生產線的複雜程度大幅降低。因為，音圈揚聲器的設計具有需要大量精確組裝的部件，這種生產方式通常需要千人規模的工廠來完成。

儘管xMEMS不願透露該設計的實際工藝節點，但預計在0.18~0.35微米範圍內，並且，xMEMS確認了目前是在200 mm（8英寸）晶圓上完成製造。

除了簡化生產製造，MEMS揚聲器採用光刻工藝的另一大優勢，是其製造精度和可重複性明顯優於音圈揚聲器。此外，其機械方面的設計也有關鍵優勢，例如一致性更高的振膜，可以提供更高的響應度和更低的THD，從而實現更好的主動降噪。

xMEMS的Montara壓電MEMS揚聲器在8.4 mm x 6.05 mm（50.9 mm²）的封裝內集成了6個所謂的揚聲器「單元」。這款揚聲器的頻率響應覆蓋了從10 Hz到20 KHz的整個範圍，這是當前動圈式或動鐵式揚聲器難以企及的，因此，我們可以看到在很多耳機中會應用多個動圈式或動鐵式揚聲器單元來覆蓋不同的頻率範圍。

據xMEMS稱，這種設計具有非常好的失真特性，能夠與高端的平面振膜揚聲器相媲美，200 Hz~20 KHz範圍內的THD只有0.5%。

由於這些揚聲器採用電容式壓電驅動而不是電流驅動，因此它們能夠將功耗降低到典型音圈驅動器的幾分之一，僅為42 µW。

此外，尺寸也是xMEMS這項新技術的一個關鍵優勢。目前，xMEMS正在製造的是一種標準封裝解決方案，其聲音垂直地從封裝正面發出，外形尺寸為8.4 mm x 6.05 mm x 0.985 mm，另外，xMEMS還將推出一款側面燒結接合的版本，可以幫助製造商更好地管理耳機內部設計和組件的安置。

上圖為沒有經過任何聲學設計優化的3D列印耳機單元，xMEMS很容易為其MEMS揚聲器設計出與當前標準尺寸相似的耳機。事實上，真正的商業化產品肯定看起來更棒，能夠更好地利用其揚聲器設計所提供的空間優勢。

電容式壓電MEMS揚聲器需要注意的是，它需要不同於傳統揚聲器的放大器設計。Montara可以推至最高30 V的峰間信號，這遠高於現有放大器的設計範圍。因此，希望應用MEMS揚聲器設計的客戶需要額外的配套晶元，例如德州儀器的LM48580。

TWS耳機顯然是Montara的主要目標市場，TWS耳機可以在設計時解決放大器方面的問題，並且，此類產品可以充分利用Montara的尺寸、重量和功耗優勢。

在測試中，xMEMS利用前述3D列印耳機原型，展示了Montara壓電MEMS揚聲器的SPL顯著優於其它耳機解決方案，生產版本則完全達到了目標的115 dB SPL（原型中的6個MEMS單元只有5個工作）。其固有頻率響應在更高的頻率下要高得多，為供應商在設計中調整和過濾聲音信號提供了足夠的空間。因為，在這些頻率下進行濾波比增強要容易得多。