xMEMS推出業(yè)界首款單芯片MEMS音箱
2020-7-26 12:26:08??????點擊：
眾所周知的，不同形式的音圈音箱（Voice Coil Speaker）已有一百多年的歷史，并成為我們?nèi)粘Ｉ钪畜w驗音頻播放的基礎(chǔ)。周二，創(chuàng)業(yè)公司xMEMS發(fā)布全球第一款的單芯片微機電音箱（Monolithic MEMS Speaker），將徹底顛覆當前市場上最普遍的音圈音箱。
在過去的幾年中，隨著微機電系統(tǒng)（Micro-electromechanical system，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，不僅半導體制造變得更加普及，我們也可以借以設(shè)計出特性上與傳統(tǒng)動圈式（Dynamic Driver）單體或平衡電樞式（Balanced Armature）單體截然不同的音箱。xMEMS全新“Montara”設(shè)計很可能成為這樣的替代方案。
更高頻率響應(yīng)和更低THD，實現(xiàn)主動式降噪
xMEMS是一家于2017年成立的創(chuàng)業(yè)公司，總部位于美國加州圣塔克拉拉市（Santa Clara），并在臺灣設(shè)有分支機構(gòu)。這家公司行事作風向來十分低調(diào)，直到今天才正式對外公布產(chǎn)品。據(jù)說，憑借公司創(chuàng)辦人多年來在不同MEMS設(shè)計公司積累的豐富經(jīng)驗，該公司成立動機就在打破數(shù)十年的音箱技術(shù)壁壘，并通過創(chuàng)新的純硅（Pure Silicon）解決方案重塑了聲音。
xMEMS純硅音箱的制造與常規(guī)音箱的制造有很大的不同。由于音箱實際上只是通過典型光刻制程所制造的單芯片，就像其他硅芯片的設(shè)計方式一樣。由于采用這種單芯片式設(shè)計，因此與音圈設(shè)計相比，該生產(chǎn)線的復雜度得以大幅降低，反觀音圈設(shè)計，則需要大量精密組裝的零部件，這涉及了動輒需要數(shù)千名工廠工人參與的龐大任務(wù)。該公司不想透露該設(shè)計的實際制程節(jié)點（Process Node），但預(yù)計其微米級的成品會相當粗略，他們也只確認其所采用的是200毫米（mm）芯片技術(shù)。
除了簡化生產(chǎn)線之外，MEMS音箱在光刻方面的另一個重要優(yōu)勢是，其制造精度和可重復性明顯優(yōu)于可變音圈設(shè)計。該設(shè)計在機械力學方面也具有關(guān)鍵優(yōu)勢，例如更加一致性的振膜振動，可實現(xiàn)更高的頻率響應(yīng)度和更低的總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），進而實現(xiàn)主動式降噪（Active Noise Cancellation，ANC）。
能與平面振膜一較高下的失真控制能力，功耗只有42μW
xMEMS Montara設(shè)計上采用8.4×6.06毫米的晶體硅粒（50.9平方毫米），以及6個所謂的音箱“單元”（Cell），也即在芯片上重復的個別音箱MEMS組件。該音箱的頻率響應(yīng)涵蓋了從10Hz到20KHz的全部范圍，這是當前動圈式或平衡電樞單體普遍達不到的問題，這也是為什么我們當前會看到會采用多顆這類音箱來覆蓋不同頻率范圍的原因。
據(jù)說該設(shè)計具有極佳的失真控制特性，能夠與平面振膜（Planar Magnetic）設(shè)計一較高下，并確保在200Hz–20KHz時只有0.5%的THD。由于這些音箱皆屬電容式壓電驅(qū)動而不是電流驅(qū)動，因此能夠?qū)⒐慕档偷降湫鸵羧误w功耗的好幾分之一，也即只有42μW的程度。
尺寸也是這項新技術(shù)的主要優(yōu)勢。目前，xMEMS正在生產(chǎn)一種能讓聲音從封裝里呈垂直角度向外發(fā)出的標準封裝解決方案，該封裝尺寸為8.4×6.05×0.985 mm，但我們也將看到一個具有相同尺寸的邊側(cè)發(fā)聲解決方案，不論如何，這一切能讓制造商可以更好地管理內(nèi)部耳機設(shè)計和零部件定位作業(yè)。
通過在聲音設(shè)計方面沒有任何優(yōu)化的粗糙3D打印組件，xMEMS就能夠輕松設(shè)計出與當前標準設(shè)計尺寸相似的耳機。事實上，市面上的商品化產(chǎn)品可能看起來要好得多，并且更能充分利用該創(chuàng)業(yè)公司嶄新設(shè)計所帶來的尺寸與體積節(jié)省優(yōu)勢。
以真無線藍牙耳機為目標市場，預(yù)計明年春天正式量產(chǎn)
電容式壓電驅(qū)動的一個關(guān)鍵面向在于，它需要一個與傳統(tǒng)音箱不同的功率擴大器設(shè)計。Montara可以驅(qū)動高達30V的峰值到峰值（peak-to-peak）輸出信號電壓，這遠遠高于現(xiàn)有擴大器設(shè)計的能耐范圍。因此，客戶希望為Montara部署一個需要額外輔助芯片（例如德州儀器LM48580）的MEMS音箱設(shè)計。
這無疑會成為阻礙該技術(shù)能被普遍采用的最大障礙之一，因為它將限制其使用能提供適當擴大器設(shè)計來驅(qū)動音箱的更高效IC解決方案，然而許多現(xiàn)有的音頻解決方案都需要一個額外的擴大器。不論如何，很顯然的，真無線藍牙耳機（True Wireless Stereo，TWS）會是Montara的主要目標市場，因為其可在設(shè)計上解決擴大器方面的問題，而且這類產(chǎn)品可以充分利用新音箱技術(shù)在尺寸、重量和功率上的優(yōu)勢。
在測試中，xMEMS通過前文所述的3D打印耳機原型，展現(xiàn)了Montara MEMS音箱的聲壓位準（Sound Pressure Level，SPL）顯著高于其他耳機解決方案，而且其量產(chǎn)機型完全達到了115dB SPL的目標（該原型只用了6個單元中的5個單元）。在更高頻的響應(yīng)范圍中，其擁有更高的原生頻率響應(yīng)，這讓供應(yīng)商有足夠的空間來為他們設(shè)計中的聲音特征進行調(diào)校與濾波。在這些頻率下，濾波降幅要比濾波增幅來得容易多。
94dB SPL的THD指數(shù)也比一副900美元的不知名專業(yè)入耳式監(jiān)聽（IEM）耳機好得多，再次強調(diào)，目前其仍只是一個不具備任何音頻優(yōu)化機制的粗略設(shè)計。在價格方面，xMEMS沒有透露任何確切數(shù)字，但只透露甚數(shù)字將不出當前平衡電樞式設(shè)計的價格范圍。目前xMEMS正提供Montara音箱的樣品給供應(yīng)商，預(yù)計明年春天正式量產(chǎn)。
關(guān)鍵字：xMEMS MEMS
在過去的幾年中，隨著微機電系統(tǒng)（Micro-electromechanical system，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，不僅半導體制造變得更加普及，我們也可以借以設(shè)計出特性上與傳統(tǒng)動圈式（Dynamic Driver）單體或平衡電樞式（Balanced Armature）單體截然不同的音箱。xMEMS全新“Montara”設(shè)計很可能成為這樣的替代方案。
更高頻率響應(yīng)和更低THD，實現(xiàn)主動式降噪
xMEMS是一家于2017年成立的創(chuàng)業(yè)公司，總部位于美國加州圣塔克拉拉市（Santa Clara），并在臺灣設(shè)有分支機構(gòu)。這家公司行事作風向來十分低調(diào)，直到今天才正式對外公布產(chǎn)品。據(jù)說，憑借公司創(chuàng)辦人多年來在不同MEMS設(shè)計公司積累的豐富經(jīng)驗，該公司成立動機就在打破數(shù)十年的音箱技術(shù)壁壘，并通過創(chuàng)新的純硅（Pure Silicon）解決方案重塑了聲音。
xMEMS純硅音箱的制造與常規(guī)音箱的制造有很大的不同。由于音箱實際上只是通過典型光刻制程所制造的單芯片，就像其他硅芯片的設(shè)計方式一樣。由于采用這種單芯片式設(shè)計，因此與音圈設(shè)計相比，該生產(chǎn)線的復雜度得以大幅降低，反觀音圈設(shè)計，則需要大量精密組裝的零部件，這涉及了動輒需要數(shù)千名工廠工人參與的龐大任務(wù)。該公司不想透露該設(shè)計的實際制程節(jié)點（Process Node），但預(yù)計其微米級的成品會相當粗略，他們也只確認其所采用的是200毫米（mm）芯片技術(shù)。
除了簡化生產(chǎn)線之外，MEMS音箱在光刻方面的另一個重要優(yōu)勢是，其制造精度和可重復性明顯優(yōu)于可變音圈設(shè)計。該設(shè)計在機械力學方面也具有關(guān)鍵優(yōu)勢，例如更加一致性的振膜振動，可實現(xiàn)更高的頻率響應(yīng)度和更低的總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），進而實現(xiàn)主動式降噪（Active Noise Cancellation，ANC）。
能與平面振膜一較高下的失真控制能力，功耗只有42μW
xMEMS Montara設(shè)計上采用8.4×6.06毫米的晶體硅粒（50.9平方毫米），以及6個所謂的音箱“單元”（Cell），也即在芯片上重復的個別音箱MEMS組件。該音箱的頻率響應(yīng)涵蓋了從10Hz到20KHz的全部范圍，這是當前動圈式或平衡電樞單體普遍達不到的問題，這也是為什么我們當前會看到會采用多顆這類音箱來覆蓋不同頻率范圍的原因。
據(jù)說該設(shè)計具有極佳的失真控制特性，能夠與平面振膜（Planar Magnetic）設(shè)計一較高下，并確保在200Hz–20KHz時只有0.5%的THD。由于這些音箱皆屬電容式壓電驅(qū)動而不是電流驅(qū)動，因此能夠?qū)⒐慕档偷降湫鸵羧误w功耗的好幾分之一，也即只有42μW的程度。
尺寸也是這項新技術(shù)的主要優(yōu)勢。目前，xMEMS正在生產(chǎn)一種能讓聲音從封裝里呈垂直角度向外發(fā)出的標準封裝解決方案，該封裝尺寸為8.4×6.05×0.985 mm，但我們也將看到一個具有相同尺寸的邊側(cè)發(fā)聲解決方案，不論如何，這一切能讓制造商可以更好地管理內(nèi)部耳機設(shè)計和零部件定位作業(yè)。
通過在聲音設(shè)計方面沒有任何優(yōu)化的粗糙3D打印組件，xMEMS就能夠輕松設(shè)計出與當前標準設(shè)計尺寸相似的耳機。事實上，市面上的商品化產(chǎn)品可能看起來要好得多，并且更能充分利用該創(chuàng)業(yè)公司嶄新設(shè)計所帶來的尺寸與體積節(jié)省優(yōu)勢。
以真無線藍牙耳機為目標市場，預(yù)計明年春天正式量產(chǎn)
電容式壓電驅(qū)動的一個關(guān)鍵面向在于，它需要一個與傳統(tǒng)音箱不同的功率擴大器設(shè)計。Montara可以驅(qū)動高達30V的峰值到峰值（peak-to-peak）輸出信號電壓，這遠遠高于現(xiàn)有擴大器設(shè)計的能耐范圍。因此，客戶希望為Montara部署一個需要額外輔助芯片（例如德州儀器LM48580）的MEMS音箱設(shè)計。
這無疑會成為阻礙該技術(shù)能被普遍采用的最大障礙之一，因為它將限制其使用能提供適當擴大器設(shè)計來驅(qū)動音箱的更高效IC解決方案，然而許多現(xiàn)有的音頻解決方案都需要一個額外的擴大器。不論如何，很顯然的，真無線藍牙耳機（True Wireless Stereo，TWS）會是Montara的主要目標市場，因為其可在設(shè)計上解決擴大器方面的問題，而且這類產(chǎn)品可以充分利用新音箱技術(shù)在尺寸、重量和功率上的優(yōu)勢。
在測試中，xMEMS通過前文所述的3D打印耳機原型，展現(xiàn)了Montara MEMS音箱的聲壓位準（Sound Pressure Level，SPL）顯著高于其他耳機解決方案，而且其量產(chǎn)機型完全達到了115dB SPL的目標（該原型只用了6個單元中的5個單元）。在更高頻的響應(yīng)范圍中，其擁有更高的原生頻率響應(yīng)，這讓供應(yīng)商有足夠的空間來為他們設(shè)計中的聲音特征進行調(diào)校與濾波。在這些頻率下，濾波降幅要比濾波增幅來得容易多。
94dB SPL的THD指數(shù)也比一副900美元的不知名專業(yè)入耳式監(jiān)聽（IEM）耳機好得多，再次強調(diào)，目前其仍只是一個不具備任何音頻優(yōu)化機制的粗略設(shè)計。在價格方面，xMEMS沒有透露任何確切數(shù)字，但只透露甚數(shù)字將不出當前平衡電樞式設(shè)計的價格范圍。目前xMEMS正提供Montara音箱的樣品給供應(yīng)商，預(yù)計明年春天正式量產(chǎn)。
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