xMEMS 發表全球第一款單晶片微機電喇叭,可能改寫傳統喇叭的音質、體積與成本Evan (2020-07-09 08:00:23)

眾所周知的,不同形式的音圈喇叭(Voice Coil Speaker)已有一百多年的歷史,並成為我們日常生活中體驗音訊播放的基礎。週二,新創公司 xMEMS 發表全球第一款的單晶片微機電喇叭(Monolithic MEMS Speaker),將徹底顛覆當前市場上最普遍的音圈喇叭。


在過去的幾年中,隨著微機電系統(Micro-electromechanical system,MEMS)技術的發展,不僅半導體製造變得更加普及,我們也可以藉以設計出特性上與傳統動圈式(Dynamic Driver)單體或平衡電樞式(Balanced Armature)單體截然不同的喇叭。xMEMS 全新「Montara」設計很可能成為這樣的替代方案。





更高頻率響應和更低 THD,實現主動式降噪

xMEMS 是一家於 2017 年成立的新創公司,總部位於美國加州聖塔克拉拉市(Santa Clara),並在台灣設有分支機構。這家公司行事作風向來十分低調,直到今天才正式對外公布產品。據說,憑藉公司創辦人多年來在不同 MEMS 設計公司積累的豐富經驗,該公司成立動機就在打破數十年的喇叭技術壁壘,並透過創新的純矽(Pure Silicon)解決方案重塑了聲音。

xMEMS 純矽喇叭的製造與常規喇叭的製造有很大的不同。由於喇叭實際上只是透過典型光刻製程所製造的單晶片,就像其他矽晶片的設計方式一樣。由於採用這種單晶片式設計,因此與音圈設計相比,該生產線的複雜度得以大幅降低,反觀音圈設計,則需要大量精密組裝的零組件,這涉及了動輒需要數千名工廠工人參與的龐大任務。該公司不想透露該設計的實際製程節點(Process Node),但預計其微米級的成品會相當粗略,他們也只確認其所採用的是200 毫米(mm)晶圓技術。

除了簡化生產線之外,MEMS 喇叭在光刻方面的另一個重要優勢是,其製造精度和可重複性明顯優於可變音圈設計。該設計在機械力學方面也具有關鍵優勢,例如更加一致性的振膜振動,可實現更高的頻率響應度和更低的總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD),進而實現主動式降噪(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 設計上採用 8.4×6.06 毫米的矽晶粒(50.9 平方毫米),以及 6 個所謂的喇叭「單元」(Cell),亦即在晶片上重複的個別喇叭 MEMS 元件。該喇叭的頻率響應涵蓋了從 10Hz 到 20KHz 的全部範圍,這是當前動圈式或平衡電樞單體普遍達不到的問題,這也是為什麼我們當前會看到會採用多顆這類喇叭來覆蓋不同頻率範圍的原因。

據說該設計具有極佳的失真控制特性,能夠與平面振膜(Planar Magnetic)設計一較高下,並確保在 200Hz–20KHz 時只有 0.5% 的 THD。由於這些喇叭皆屬電容式壓電驅動而不是電流驅動,因此能夠將功耗降低到典型音圈單體功耗的好幾分之一,亦即只有 42µW 的程度。

尺寸也是這項新技術的主要優勢。目前,xMEMS 正在生產一種能讓聲音從封裝裡呈垂直角度向外發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發聲解決方案,不論如何,這一切能讓製造商可以更好地管理內部耳機設計和零組件定位作業。

透過在聲音設計方面沒有任何最佳化的粗糙 3D 列印元件,xMEMS 就能夠輕鬆設計出與當前標準設計尺寸相似的耳機。事實上,市面上的商品化產品可能看起來要好得多,並且更能充份利用該新創公司嶄新設計所帶來的尺寸與體積節省優勢。





以真無線藍牙耳機為目標市場,預計明年春天正式量產

電容式壓電驅動的一個關鍵面向在於,它需要一個與傳統喇叭不同的功率擴大器設計。Montara 可以驅動高達 30V 的峰值到峰值(peak-to-peak)輸出訊號電壓,這遠遠高於現有擴大器設計的能耐範圍。因此,客戶希望為 Montara 部署一個需要額外輔助晶片(例如德州儀器 LM48580)的 MEMS 喇叭設計。

這無疑會成為阻礙該技術能被普遍採用的最大障礙之一,因為它將限制其使用能提供適當擴大器設計來驅動喇叭的更高效 IC 解決方案,然而許多現有的音訊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,因為其可在設計上解決擴大器方面的問題,而且這類產品可以充分利用新喇叭技術在尺寸、重量和功率上的優勢。

在測試中,xMEMS 透過前文所述的 3D 列印耳機原型,展現了 Montara MEMS 喇叭的聲壓位準(Sound Pressure Level,SPL)顯著高於其他耳機解決方案,而且其量產機型完全達到了 115dB SPL 的目標(該原型只用了 6 個單元中的 5 個單元)。在更高頻的響應範圍中,其擁有更高的原生頻率響應,這讓供應商有足夠的空間來為他們設計中的聲音特徵進行調校與濾波。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 指數也比一副 900 美元的不知名專業入耳式監聽(IEM)耳機好得多,再次強調,目前其仍只是一個不具備任何音訊優化機制的粗略設計。在價格方面,xMEMS 沒有透露任何確切數字,但只透露甚數字將不出當前平衡電樞式設計的價格範圍。目前 xMEMS 正提供 Montara 喇叭的樣品給供應商,預計明年春天正式量產。

xMEMS Announces World’s First Monolithic MEMS Speaker

(首圖來源:xMEMS)

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