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音频领域一小步,MEMS扬声器一大步,全球首款纯正压电MEMS扬声器发布
2020-07-08 21:17:59   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,xMEMS Labs近日宣布推出全球第一款真正的单芯片MEMS扬声器:Montara。Montara的诞生是音频领域的一小步,却是MEMS扬声器的一大步,它可以为各种个人音频设备(例如TWS耳机、入耳式耳机以及头戴式耳机等)提供高保真、全带宽音频和低总谐波失真等特性。

● 这是全球首款真正的单芯片MEMS扬声器,提供了高保真、全带宽音频和低THD,理想地适用于各种个人音频设备,例如真无线立体声(TWS)耳机、入耳式耳机以及头戴式耳机等;

● 这款MEMS扬声器用高精度、高一致性的单芯片半导体工艺,取代了音圈扬声器延续数十年的工厂组装生产(例如动圈式和动铁式耳机);

● 作为全球首款IP 57等级的微型扬声器,无需特殊保护网或覆盖物,便可实现防水防尘;

● 全球首款SMT-ready扬声器;

● 现在即可提供工程样品,预计2021年初量产。

音频领域一小步,MEMS扬声器一大步,xMEMS全球首款纯正压电MEMS扬声器发布

据麦姆斯咨询报道,xMEMS Labs近日宣布推出全球第一款真正的单芯片MEMS扬声器:Montara。Montara的诞生是音频领域的一小步,却是MEMS扬声器的一大步,它可以为各种个人音频设备(例如TWS耳机、入耳式耳机以及头戴式耳机等)提供高保真、全带宽音频和低总谐波失真(THD)等特性。一直非常低调的xMEMS由此重新定义了“发声”。Montara也是世界上第一款IP 57等级的微型扬声器,能够提供出色的防水防尘性能。Montara将通过更高的解析度、丰富的细节、极低的延迟、优异的防水防尘性能以及更长的收听时间,为消费者提供更好的音频体验。

据xMEMS表示,Montara前期的重要目标市场是即将推出的防水真无线耳机。Montara采用高精度、高一致性的单芯片半导体工艺,旨在直接替代当前常用的动圈式和动铁式扬声器。接下来,xMEMS将推动智能手机扬声器设计的变革,未来,xMEMS还将面向家庭音频和汽车扬声器等应用开发新款MEMS扬声器。

xMEMS成立于2018年1月,公司目前已拥有10项授权专利,还有70多项专利申请正在审查中。xMEMS核心团队成员此前曾在TDK、Invensense和Knowles等公司工作,为消费电子应用设计了很多成功的器件,交付量达到数十亿颗。目前,xMEMS总部位于美国加州的圣克拉拉,并在台湾竹北设有办公室。xMEMS凭借高性能小尺寸的压电MEMS扬声器解决方案,计划在音频领域大展身手。

音频领域一小步,MEMS扬声器一大步,全球首款纯正压电MEMS扬声器发布

Montara通过在硅晶圆上构建整个扬声器(执行器、振膜),降低了封装高度,并消除了由于振膜固有的一致性问题所需要的驱动匹配和校准,超越了早期的混合式MEMS扬声器。Montara的设计创新和单芯片压电MEMS制造,实现了精确驱动、高品质声音以及扬声器的一致性和可重复性。

xMEMS对其首款真正的MEMS扬声器进行了多项性能测试和对比分析,结果表明该设计是耳塞和耳机的理想解决方案。Montara在整个频率范围内展现了更大的声量,并且具有卓越的高音和良好的低音表现,宽动态范围,以及极低的THD。标准款Montara采用6个发声单元,能够提供高达113 dB的SPL(采用IEC60318-4耦合器测量)。更重要的是,在器件中使用的半导体工艺可以实现高一致性的振膜运动,这对于应用主动补偿以改善THD结果至关重要。

这与传统工厂组装生产的差异性较大的音圈驱动扬声器形成了鲜明对比,这些扬声器匹配难度较大,并且交付的产品经常会出现左右声道之间的差异。与动铁式扬声器相比,Montara的尺寸更小,外形非常轻薄(仅厚1 mm),重量更轻,可以在紧凑型耳塞中更灵活地安置,并且SMT-ready,支持径直或侧面烧结接合。

xMEMS纯硅MEMS扬声器的制造与传统扬声器有很大不同

xMEMS纯硅MEMS扬声器的制造与传统扬声器有很大不同。其压电MEMS扬声器跟其它硅芯片的设计一样,本质上是通过典型光刻、刻蚀等工艺制造的单芯片。由于采用这种整体设计,相比音圈扬声器其生产线的复杂程度大幅降低。因为,音圈扬声器的设计具有需要大量精确组装的部件,这种生产方式通常需要千人规模的工厂来完成。

尽管xMEMS不愿透露该设计的实际工艺节点,但预计在0.18~0.35微米范围内,并且,xMEMS确认了目前是在200 mm(8英寸)晶圆上完成制造。

MEMS扬声器采用半导体工艺的另一大优势,是其制造精度和可重复性明显优于音圈扬声器

除了简化生产制造,MEMS扬声器采用光刻工艺的另一大优势,是其制造精度和可重复性明显优于音圈扬声器。此外,其机械方面的设计也有关键优势,例如一致性更高的振膜,可以提供更高的响应度和更低的THD,从而实现更好的主动降噪。

这款MEMS扬声器的频率响应覆盖了从10 Hz到20 KHz的整个范围,这是当前动圈式或动铁式扬声器难以企及的

xMEMS的Montara压电MEMS扬声器在8.4 mm x 6.05 mm(50.9 mm²)的封装内集成了6个所谓的扬声器“单元”。这款扬声器的频率响应覆盖了从10 Hz到20 KHz的整个范围,这是当前动圈式或动铁式扬声器难以企及的,因此,我们可以看到在很多耳机中会应用多个动圈式或动铁式扬声器单元来覆盖不同的频率范围。

据xMEMS称,这种设计具有非常好的失真特性,能够与高端的平面振膜扬声器相媲美,200 Hz~20 KHz范围内的THD只有0.5%。

由于这些扬声器采用电容式压电驱动而不是电流驱动,因此它们能够将功耗降低到典型音圈驱动器的几分之一,仅为42 µW。

xMEMS的Montara压电MEMS扬声器在8.4 mm x 6.05 mm的封装内集成了6个所谓的扬声器“单元”。

此外,尺寸也是xMEMS这项新技术的一个关键优势。目前,xMEMS正在制造的是一种标准封装解决方案,其声音垂直地从封装正面发出,外形尺寸为8.4 mm x 6.05 mm x 0.985 mm,另外,xMEMS还将推出一款侧面烧结接合的版本,可以帮助制造商更好地管理耳机内部设计和组件的安置。

没有经过任何声学设计优化的3D打印耳机单元,xMEMS很容易为其MEMS扬声器设计出与当前标准尺寸相似的耳机。

上图为没有经过任何声学设计优化的3D打印耳机单元,xMEMS很容易为其MEMS扬声器设计出与当前标准尺寸相似的耳机。事实上,真正的商业化产品肯定看起来更棒,能够更好地利用其扬声器设计所提供的空间优势。

MEMS扬声器方案

电容式压电MEMS扬声器需要注意的是,它需要不同于传统扬声器的放大器设计。Montara可以推至最高30 V的峰间信号,这远高于现有放大器的设计范围。因此,希望应用MEMS扬声器设计的客户需要额外的配套芯片,例如德州仪器的LM48580。

TWS耳机显然是Montara的主要目标市场,TWS耳机可以在设计时解决放大器方面的问题,并且,此类产品可以充分利用Montara的尺寸、重量和功耗优势。

在测试中,xMEMS利用前述3D打印耳机原型,展示了Montara压电MEMS扬声器的SPL显著优于其它耳机解决方案

在测试中,xMEMS利用前述3D打印耳机原型,展示了Montara压电MEMS扬声器的SPL显著优于其它耳机解决方案,生产版本则完全达到了目标的115 dB SPL(原型中的6个MEMS单元只有5个工作)。其固有频率响应在更高的频率下要高得多,为供应商在设计中调整和过滤声音信号提供了足够的空间。因为,在这些频率下进行滤波比增强要容易得多。

音频领域一小步,MEMS扬声器一大步,全球首款纯正压电MEMS扬声器发布

成本方面,xMEMS没有透露任何数字,不过据称,其成本跟动铁单元在一个水平。xMEMS的Montara扬声器目前正在向厂商送样,预计明年春季左右开始量产,预计也将在那时看到供应商的商业化产品。

供货情况

音频领域一小步,MEMS扬声器一大步,全球首款纯正压电MEMS扬声器发布

Montara的样品和评估套件现在即可为客户提供,预计将在2021年第一季度批量生产。Montara将提供两款LGA封装:标准型(6.05 mm x 8.4 mm x 0.985mm)和侧面接合型(6.05 mm x 1.0 mm x 8.4 mm)。

主要参数:

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延伸阅读:

《TWS耳机产业及核心元器件》

《可听戴设备(Hearables)技术、厂商及市场-2020版》

《压电能量收集和传感-2019版》

《可穿戴技术及市场-2020版》 

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