xMEMS推出業(yè)界首款單芯片MEMS音箱
2020-7-26 12:26:08??????點(diǎn)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(yàn)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(jī)電音箱（Monolithic MEMS Speaker），將徹底顛覆當(dāng)前市場(chǎng)上最普遍的音圈音箱。
在過(guò)去的幾年中，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electromechanical system，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，不僅半導(dǎo)體制造變得更加普及，我們也可以借以設(shè)計(jì)出特性上與傳統(tǒng)動(dòng)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(jì)很可能成為這樣的替代方案。
更高頻率響應(yīng)和更低THD，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(guó)加州圣塔克拉拉市（Santa Clara），并在臺(tái)灣設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。這家公司行事作風(fēng)向來(lái)十分低調(diào)，直到今天才正式對(duì)外公布產(chǎn)品。據(jù)說(shuō)，憑借公司創(chuàng)辦人多年來(lái)在不同MEMS設(shè)計(jì)公司積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，該公司成立動(dòng)機(jī)就在打破數(shù)十年的音箱技術(shù)壁壘，并通過(guò)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(shí)際上只是通過(guò)典型光刻制程所制造的單芯片，就像其他硅芯片的設(shè)計(jì)方式一樣。由于采用這種單芯片式設(shè)計(jì)，因此與音圈設(shè)計(jì)相比，該生產(chǎn)線的復(fù)雜度得以大幅降低，反觀音圈設(shè)計(jì)，則需要大量精密組裝的零部件，這涉及了動(dòng)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(jì)的實(shí)際制程節(jié)點(diǎn)（Process Node），但預(yù)計(jì)其微米級(jí)的成品會(huì)相當(dāng)粗略，他們也只確認(rèn)其所采用的是200毫米（mm）芯片技術(shù)。
除了簡(jiǎn)化生產(chǎn)線之外，MEMS音箱在光刻方面的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，其制造精度和可重復(fù)性明顯優(yōu)于可變音圈設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在機(jī)械力學(xué)方面也具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如更加一致性的振膜振動(dòng)，可實(shí)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(jì)上采用8.4×6.06毫米的晶體硅粒（50.9平方毫米），以及6個(gè)所謂的音箱“單元”（Cell），也即在芯片上重復(fù)的個(gè)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(dāng)前動(dòng)圈式或平衡電樞單體普遍達(dá)不到的問題，這也是為什么我們當(dāng)前會(huì)看到會(huì)采用多顆這類音箱來(lái)覆蓋不同頻率范圍的原因。
據(jù)說(shuō)該設(shè)計(jì)具有極佳的失真控制特性，能夠與平面振膜（Planar Magnetic）設(shè)計(jì)一較高下，并確保在200Hz–20KHz時(shí)只有0.5%的THD。由于這些音箱皆屬電容式壓電驅(qū)動(dòng)而不是電流驅(qū)動(dòng)，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(xiàng)新技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)。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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jī)設(shè)計(jì)和零部件定位作業(yè)。
通過(guò)在聲音設(shè)計(jì)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(jì)出與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸相似的耳機(jī)。事實(shí)上，市面上的商品化產(chǎn)品可能看起來(lái)要好得多，并且更能充分利用該創(chuàng)業(yè)公司嶄新設(shè)計(jì)所帶來(lái)的尺寸與體積節(jié)省優(yōu)勢(shì)。
以真無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)為目標(biāo)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)明年春天正式量產(chǎn)
電容式壓電驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵面向在于，它需要一個(gè)與傳統(tǒng)音箱不同的功率擴(kuò)大器設(shè)計(jì)。Montara可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)30V的峰值到峰值（peak-to-peak）輸出信號(hào)電壓，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有擴(kuò)大器設(shè)計(jì)的能耐范圍。因此，客戶希望為Montara部署一個(gè)需要額外輔助芯片（例如德州儀器LM48580）的MEMS音箱設(shè)計(jì)。
這無(wú)疑會(huì)成為阻礙該技術(shù)能被普遍采用的最大障礙之一，因?yàn)樗鼘⑾拗破涫褂媚芴峁┻m當(dāng)擴(kuò)大器設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(gè)額外的擴(kuò)大器。不論如何，很顯然的，真無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)（True Wireless Stereo，TWS）會(huì)是Montara的主要目標(biāo)市場(chǎng)，因?yàn)槠淇稍谠O(shè)計(jì)上解決擴(kuò)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(shì)。
在測(cè)試中，xMEMS通過(guò)前文所述的3D打印耳機(jī)原型，展現(xiàn)了Montara MEMS音箱的聲壓位準(zhǔn)（Sound Pressure Level，SPL）顯著高于其他耳機(jī)解決方案，而且其量產(chǎn)機(jī)型完全達(dá)到了115dB SPL的目標(biāo)（該原型只用了6個(gè)單元中的5個(gè)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(lái)為他們?cè)O(shè)計(jì)中的聲音特征進(jìn)行調(diào)校與濾波。在這些頻率下，濾波降幅要比濾波增幅來(lái)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(jī)好得多，再次強(qiáng)調(diào)，目前其仍只是一個(gè)不具備任何音頻優(yōu)化機(jī)制的粗略設(shè)計(jì)。在價(jià)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(dāng)前平衡電樞式設(shè)計(jì)的價(jià)格范圍。目前xMEMS正提供Montara音箱的樣品給供應(yīng)商，預(yù)計(jì)明年春天正式量產(chǎn)。
關(guān)鍵字：xMEMS MEMS
在過(guò)去的幾年中，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electromechanical system，MEMS）技術(shù)的發(fā)展，不僅半導(dǎo)體制造變得更加普及，我們也可以借以設(shè)計(jì)出特性上與傳統(tǒng)動(dòng)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(jì)很可能成為這樣的替代方案。
更高頻率響應(yīng)和更低THD，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(guó)加州圣塔克拉拉市（Santa Clara），并在臺(tái)灣設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。這家公司行事作風(fēng)向來(lái)十分低調(diào)，直到今天才正式對(duì)外公布產(chǎn)品。據(jù)說(shuō)，憑借公司創(chuàng)辦人多年來(lái)在不同MEMS設(shè)計(jì)公司積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，該公司成立動(dòng)機(jī)就在打破數(shù)十年的音箱技術(shù)壁壘，并通過(guò)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(shí)際上只是通過(guò)典型光刻制程所制造的單芯片，就像其他硅芯片的設(shè)計(jì)方式一樣。由于采用這種單芯片式設(shè)計(jì)，因此與音圈設(shè)計(jì)相比，該生產(chǎn)線的復(fù)雜度得以大幅降低，反觀音圈設(shè)計(jì)，則需要大量精密組裝的零部件，這涉及了動(dòng)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(jì)的實(shí)際制程節(jié)點(diǎn)（Process Node），但預(yù)計(jì)其微米級(jí)的成品會(huì)相當(dāng)粗略，他們也只確認(rèn)其所采用的是200毫米（mm）芯片技術(shù)。
除了簡(jiǎn)化生產(chǎn)線之外，MEMS音箱在光刻方面的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，其制造精度和可重復(fù)性明顯優(yōu)于可變音圈設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在機(jī)械力學(xué)方面也具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，例如更加一致性的振膜振動(dòng)，可實(shí)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(jì)上采用8.4×6.06毫米的晶體硅粒（50.9平方毫米），以及6個(gè)所謂的音箱“單元”（Cell），也即在芯片上重復(fù)的個(gè)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(dāng)前動(dòng)圈式或平衡電樞單體普遍達(dá)不到的問題，這也是為什么我們當(dāng)前會(huì)看到會(huì)采用多顆這類音箱來(lái)覆蓋不同頻率范圍的原因。
據(jù)說(shuō)該設(shè)計(jì)具有極佳的失真控制特性，能夠與平面振膜（Planar Magnetic）設(shè)計(jì)一較高下，并確保在200Hz–20KHz時(shí)只有0.5%的THD。由于這些音箱皆屬電容式壓電驅(qū)動(dòng)而不是電流驅(qū)動(dòng)，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(xiàng)新技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)。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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jī)設(shè)計(jì)和零部件定位作業(yè)。
通過(guò)在聲音設(shè)計(jì)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(jì)出與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸相似的耳機(jī)。事實(shí)上，市面上的商品化產(chǎn)品可能看起來(lái)要好得多，并且更能充分利用該創(chuàng)業(yè)公司嶄新設(shè)計(jì)所帶來(lái)的尺寸與體積節(jié)省優(yōu)勢(shì)。
以真無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)為目標(biāo)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)明年春天正式量產(chǎn)
電容式壓電驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵面向在于，它需要一個(gè)與傳統(tǒng)音箱不同的功率擴(kuò)大器設(shè)計(jì)。Montara可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)30V的峰值到峰值（peak-to-peak）輸出信號(hào)電壓，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有擴(kuò)大器設(shè)計(jì)的能耐范圍。因此，客戶希望為Montara部署一個(gè)需要額外輔助芯片（例如德州儀器LM48580）的MEMS音箱設(shè)計(jì)。
這無(wú)疑會(huì)成為阻礙該技術(shù)能被普遍采用的最大障礙之一，因?yàn)樗鼘⑾拗破涫褂媚芴峁┻m當(dāng)擴(kuò)大器設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(gè)額外的擴(kuò)大器。不論如何，很顯然的，真無(wú)線藍(lán)牙耳機(jī)（True Wireless Stereo，TWS）會(huì)是Montara的主要目標(biāo)市場(chǎng)，因?yàn)槠淇稍谠O(shè)計(jì)上解決擴(kuò)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(shì)。
在測(cè)試中，xMEMS通過(guò)前文所述的3D打印耳機(jī)原型，展現(xiàn)了Montara MEMS音箱的聲壓位準(zhǔn)（Sound Pressure Level，SPL）顯著高于其他耳機(jī)解決方案，而且其量產(chǎn)機(jī)型完全達(dá)到了115dB SPL的目標(biāo)（該原型只用了6個(gè)單元中的5個(gè)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(lái)為他們?cè)O(shè)計(jì)中的聲音特征進(jìn)行調(diào)校與濾波。在這些頻率下，濾波降幅要比濾波增幅來(lái)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(jī)好得多，再次強(qiáng)調(diào)，目前其仍只是一個(gè)不具備任何音頻優(yōu)化機(jī)制的粗略設(shè)計(jì)。在價(jià)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(dāng)前平衡電樞式設(shè)計(jì)的價(jià)格范圍。目前xMEMS正提供Montara音箱的樣品給供應(yīng)商，預(yù)計(jì)明年春天正式量產(chǎn)。
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