全球首款单片式MEMS 纯硅扬声器问世

2020-07-09 13:50:59 来源:EETOP
传统的动圈式扬声器已有一百多年的历史,并成为我们日常生活中体验音频播放的基础。不过在周二,新创公司xMEMS 发表全球第一款的单芯片微机电扬声器(Monolithic MEMS Speaker),将彻底颠覆当前市场上最普遍的动圈式扬声器。

 

在过去的几年中,随着微机电系统(Micro-electromechanicalsystem,MEMS)技术的发展,不仅半导体制造变得更加普及,我们也可以借以设计出特性上与传统动圈式(Dynamic Driver)单体或平衡电枢式(Balanced Armature)单体截然不同的扬声器。xMEMS 全新「Montara」设计很可能成为这样的替代方案。

 

更高频率响应和更低THD,实现主动式降噪

xMEMS 是一家于2017 年成立的新创公司,总部位于美国加州圣塔克拉拉市(Santa Clara)。这家公司行事作风向来十分低调,直到今天才正式对外公布产品。据说,凭借公司创办人多年来在不同MEMS 设计公司积累的丰富经验,该公司成立动机就在打破数十年的扬声器技术壁垒,并透过创新的纯硅(Pure Silicon)解决方案重塑了声音。

xMEMS 纯硅扬声器的制造与常规扬声器的制造有很大的不同。由于扬声器实际上只是透过典型光刻制程所制造的单芯片,就像其他硅芯片的设计方式一样。由于采用这种单芯片式设计,因此与动圈式设计相比,该生产线的复杂度得以大幅降低,反观动圈式设计,则需要大量精密组装的零组件,这涉及了动辄需要数千名工厂工人参与的庞大任务。该公司不想透露该设计的实际制程节点(Process Node),但预计其微米级的成品会相当粗略,他们也只确认其所采用的是200毫米(mm)晶圆技术。

除了简化生产线之外,MEMS 扬声器在光刻方面的另一个重要优势是,其制造精度和可重复性明显优于可变动圈式设计。该设计在机械力学方面也具有关键优势,例如更加一致性的振膜振动,可实现更高的频率响应度和更低的总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD),进而实现主动式降噪(Active Noise Cancellation,ANC)。

能与平面振膜一较高下的失真控制能力,功耗只有42µW

xMEMS Montara 设计上采用8.4×6.06 毫米的硅晶粒(50.9 平方毫米),以及6 个所谓的扬声器「单元」(Cell),亦即在芯片上重复的个别扬声器MEMS 元件。该扬声器的频率响应涵盖了从10Hz 到20KHz 的全部范围,这是当前动圈式或平衡电枢单体普遍达不到的问题,这也是为什么我们当前会看到会采用多颗这类扬声器来覆盖不同频率范围的原因。

据说该设计具有极佳的失真控制特性,能够与平面振膜(PlanarMagnetic)设计一较高下,并确保在200Hz–20KHz时只有0.5% 的THD。由于这些扬声器皆属电容式压电驱动而不是电流驱动,因此能够将功耗降低到典型动圈式单体功耗的好几分之一,亦即只有42µW 的程度。

尺寸也是这项新技术的主要优势。目前,xMEMS 正在生产一种能让声音从封装里呈垂直角度向外发出的标准封装解决方案,该封装尺寸为8.4×6.05×0.985 mm,但我们也将看到一个具有相同尺寸的边侧发声解决方案,不论如何,这一切能让制造商可以更好地管理内部耳机设计和零组件定位作业。

透过在声音设计方面没有任何最佳化的粗糙3D 列印元件,xMEMS 就能够轻松设计出与当前标准设计尺寸相似的耳机。事实上,市面上的商品化产品可能看起来要好得多,并且更能充份利用该新创公司崭新设计所带来的尺寸与体积节省优势。

以真无线蓝牙耳机为目标市场,预计明年春天正式量产

电容式压电驱动的一个关键面向在于,它需要一个与传统扬声器不同的功率扩大器设计。Montara 可以驱动高达30V 的峰值到峰值(peak-to-peak)输出讯号电压,这远远高于现有扩大器设计的能耐范围。因此,客户希望为Montara 部署一个需要额外辅助芯片(例如德州仪器LM48580)的MEMS 扬声器设计。

这无疑会成为阻碍该技术能被普遍采用的最大障碍之一,因为它将限制其使用能提供适当扩大器设计来驱动扬声器的更高效IC 解决方案,然而许多现有的音讯解决方案都需要一个额外的扩大器。不论如何,很显然的,真无线蓝牙耳机(True Wireless Stereo,TWS)会是Montara 的主要目标市场,因为其可在设计上解决扩大器方面的问题,而且这类产品可以充分利用新扬声器技术在尺寸、重量和功率上的优势。

测试中,xMEMS 透过前文所述的3D 列印耳机原型,展现了Montara MEMS 扬声器的声压位准(Sound Pressure Level,SPL)显著高于其他耳机解决方案,而且其量产机型完全达到了115dB SPL 的目标(该原型只用了6 个单元中的5 个单元)。在更高频的响应范围中,其拥有更高的原生频率响应,这让供应商有足够的空间来为他们设计中的声音特征进行调校与滤波。在这些频率下,滤波降幅要比滤波增幅来得容易多。

94dB SPL 的THD 指数也比一副900 美元的不知名专业入耳式监听(IEM)耳机好得多,再次强调,目前其仍只是一个不具备任何音讯优化机制的粗略设计。在价格方面,xMEMS 没有透露任何确切数字,但只透露甚数字将不出当前平衡电枢式设计的价格范围。目前xMEMS正提供Montara 扬声器的样品给供应商,预计明年春天正式量产。

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