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解决成本和功耗两大难题,MEMS扬声器量产按下加速键
2022-09-15 14:57:19   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

这款压电MEMS扬声器使用传统动圈扬声器约十分之一的电量、以目前压电MEMS扬声器约五分之一制造成本,实现了媲美传统方案的高品质音质,解决了当前压电MEMS扬声器产业面临的成本和功耗两大瓶颈性难题,为MEMS扬声器的大规模商业化应用铺平了道路。

随着全球音频市场的快速发展,人们对扬声器(俗称:喇叭)的微型化和轻量化提出了越来越高的要求,同时微型扬声器还需要具备卓越的高音和低音表现以及宽动态范围。为了满足不断提升的音质要求,目前中高端耳机中通常将多动圈单元、多动铁单元或动圈/动铁单元配合使用来覆盖不同的音域范围。基于MEMS技术的微型扬声器在拥有小尺寸、轻重量的同时,单颗单元即可实现全音域覆盖并提供高保真和低失真等近乎理想的音频特性,可以适用于消费和汽车等各类音频设备,尤其是包括真无线立体声(TWS)在内的耳机市场。同时,使用半导体工艺制造的MEMS扬声器可以保证大批量生产以及产品高一致性,支持SMT表贴工艺装配。

在刚过去的2022年上半年,MEMS传感器巨头博世(Bosch)收购了Arioso Systems,一个2019年才成立的MEMS扬声器初创公司。博世在MEMS扬声器上的发力代表着MEMS扬声器技术已经从极具前景走向产业化和商业化的成熟阶段。再加上更早的USound及xMEMS等一众玩家相继推出MEMS扬声器产品并实现批量化生产,全球近100亿美元的微型扬声器市场暗流涌动。

然而,一项新技术想要替代沉淀了一个世纪的经典动圈技术谈何容易!虽然和动圈方案相比,MEMS扬声器在尺寸和重量方面拥有先天的优势,在带宽和时延等音质参数上也展示出了更优越的性能,如果希望仅靠这些特性就可以快速占领市场还为时尚早;MEMS扬声器还有两座大山亟待翻越:制造成本和功耗。制造成本概念很好理解,由于现有的MEMS扬声器方案采用了代工厂新导入甚至不具备的工艺路线,其成本较传统动圈高出一大截;要比较扬声器功耗的大小,就要引入灵敏度这一关键参数。一款微型扬声器的灵敏度等于其每消耗1 mW的电能所产生的声压大小。直观理解为灵敏度越高代表在相同的耗电下产生的音量越大,然而更具有实际意义的理解是,灵敏度越高代表在产生相同的音量大小下耗电更少,即功耗越低。随着消费级可穿戴设备(如TWS耳机、助听/辅听耳机)集成越来越多的功能,其对各组成单元的功耗要求也水涨船高,是否高灵敏度、是否足够便宜决定了MEMS扬声器在海量市场中的适用范围、竞争力、甚至存在必要性。

MEMS扬声器的市场驱动因素

图1 MEMS扬声器的市场驱动因素

据麦姆斯咨询报道,天津大学MEMS实验室的研究人员在深厚的技术积累和丰富的产业经验基础上,经历十余年埋头研发终于成功解决了上述目前MEMS扬声器面临的两大瓶颈难题。研究成果以“超高灵敏度AlN压电MEMS扬声器”为题发表在MEMS领域顶级学术期刊JMEMS

上述论文通讯作者张孟伦助理教授介绍,这项工作展示了一款高灵敏度、低成本、高性能的MEMS扬声器,其灵敏度高达107 dB/mW @ 250 Hz,104 dB/mW @ 1 kHz,105 dB/mW @ 10 kHz,在整个人耳可听频段内其灵敏度都傲视现有的任何一款公开的压电MEMS扬声器。更难能可贵的是,目前无线耳机中常用的小型6 mm动圈扬声器的灵敏度仅有95 dB/mW @ 1 kHz,这一数值和这款高性能压电MEMS扬声器相比有近10 dB的差距,并且随着频率的提高差距在进一步拉大;这一悬殊的优势意味着这款高灵敏压电MEMS扬声器的功耗约是传统动圈扬声器的十分之一,或者说在相同的电池电量下这款压电MEMS扬声器的连续工作时间可达传统动圈扬声器的近十倍!

高灵敏度压电MEMS扬声器与现有技术对比

图2 高灵敏度压电MEMS扬声器与现有技术对比

该论文通讯作者庞慰教授介绍,这款压电MEMS扬声器利用产业界更成熟的AlN薄膜平台制造,摒弃了现有方案采用的PZT薄膜技术路线;这一技术路线意味着这款压电MEMS扬声器的制造成本可以降低五倍,其可制造性也得到大幅提高,非常适合在目前MEMS代工厂的现有工艺线上进行规模化量产,不需要进行额外的设备资源和工艺开发投入;同时,这款基于AlN方案的压电MEMS扬声器达到了和PZT方案同样优秀的声压级等级和失真度等级。另外,文章建立了一套完整的压电MEMS扬声器解析模型,模型的预测准确性很高,广泛适用于多种压电MEMS扬声器的建模和设计优化。

基于AlN薄膜的压电MEMS扬声器细节SEM照片

图3 基于AlN薄膜的压电MEMS扬声器细节SEM照片

综上所述,这项工作通过重新定义技术路线和制造方法、结合完备的解析模型和优化的设计方法成功实现了一款高灵敏度、低成本、高保真、近乎完美的MEMS扬声器。这款压电MEMS扬声器使用传统动圈扬声器约十分之一的电量、以目前压电MEMS扬声器约五分之一制造成本,实现了媲美传统方案的高品质音质,解决了当前压电MEMS扬声器产业面临的成本和功耗两大瓶颈性难题,为MEMS扬声器的大规模商业化应用铺平了道路,释放新技术带来的“红利闸门”已经开启。

论文信息:Chengze Liu, Menglun Zhang*, Mingchao Sun, Linbing Xu, Yiming Lang, Shaobo Gong, Wei Pang*, "Ultrahigh-Sensitivity Piezoelectric AlN MEMS Speakers Enabled by Analytical Expressions," in Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 31, no. 4, pp. 664-672, Aug. 2022, doi: 10.1109/JMEMS.2022.3181666

延伸阅读:

《MEMS扬声器期刊文献检索与分析-2022版》 

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