2015年1月，在揚(yáng)聲器制造與聲學(xué)協(xié)會(huì)（ALMA）國(guó)際會(huì)議上，我發(fā)表了關(guān)于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）揚(yáng)聲器的演講，隨后進(jìn)行了不少調(diào)查。作為上個(gè)月關(guān)注微型揚(yáng)聲器的后續(xù)行動(dòng)，我們認(rèn)為可能是關(guān)于MEMS微型揚(yáng)聲器的文章的時(shí)候了。這是真正的新技術(shù)，所以只有最近功能實(shí)驗(yàn)室原型才能運(yùn)行。

MEMS是非常小的器件的技術(shù)，通常由微傳感器/換能器和處理數(shù)據(jù)的專(zhuān)用集成電路（ASIC）組成（例如，編解碼器功能和放大）。
我們將一般性地研究MEMS器件，提供MEMS揚(yáng)聲器如何工作的基本解釋?zhuān)约拔磥?lái)的商業(yè)化挑戰(zhàn)。當(dāng)MEMS揚(yáng)聲器是可行的商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，我們還需要考慮它們的實(shí)際應(yīng)用，預(yù)計(jì)單位成本以及聲學(xué)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

一點(diǎn)MEMS歷史
過(guò)去三十年的MEMS發(fā)展緩慢而痛苦。關(guān)于MEMS開(kāi)發(fā)計(jì)劃的半導(dǎo)體行業(yè)最喜歡的笑話(huà)是它們以狗年計(jì)算（是人類(lèi)年的七倍）。然而，MEMS器件在使用集成電路（IC）制造和器件封裝工藝制造時(shí)變得切實(shí)可行（見(jiàn)圖1）。MEMS主流消費(fèi)電子設(shè)備包括加速度計(jì)，振動(dòng)傳感器（例如，防盜警報(bào)器和氣囊傳感器）和麥克風(fēng)。

幾十年來(lái)，MEMS麥克風(fēng)的承諾進(jìn)展緩慢，許多開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)最終放棄了。對(duì)MEMS公司的風(fēng)險(xiǎn)資本投資很少取得成功的結(jié)果，因?yàn)楣局皇菦](méi)有耐心或持續(xù)力量繼續(xù)將資金投入研究。MEMS制造有很多步驟，每一步都能獲得高產(chǎn)量似乎總是處于另一個(gè)發(fā)展階段（見(jiàn)圖2）。第一億個(gè)MEMS麥克風(fēng)耗時(shí)20多年，第二個(gè)十億生產(chǎn)耗時(shí)耗時(shí)兩年。如今，MEMS麥克風(fēng)主要應(yīng)用于智能手機(jī)，平板電腦和筆記本電腦。

MEMS加速度計(jì)原型于1989年在ADI公司（ADI）成功開(kāi)發(fā)，其工藝類(lèi)似于MEMS麥克風(fēng)。到20世紀(jì)90年代中期，ADI成功地將氣囊傳感器加速度計(jì)商業(yè)化。Knowles也開(kāi)始在同一時(shí)間開(kāi)發(fā)其MEMS麥克風(fēng)程序。2003年，Knowles在商業(yè)上推出了SiSonic MEMS麥克風(fēng)。其他早期MEMS麥克風(fēng)開(kāi)發(fā)商包括Sonion和Akustica（現(xiàn)在是博世的一部分）。

MEMS第一代麥克風(fēng)噪聲很大，只能達(dá)到50 dBa信號(hào)/噪聲（S / N）。但隨著持續(xù)改進(jìn)，靈敏度增加，噪聲基底下降。到2010年，一些供應(yīng)商達(dá)到了60 S / N，現(xiàn)在最好達(dá)到70 S / N！雖然微電子工程師通過(guò)性能規(guī)格來(lái)衡量MEMS麥克風(fēng)的成功，但更實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)可能是MEMS麥克風(fēng)占去年所有麥克風(fēng)的一半以上。Invensense，Knowles，STMicroelectronics，Akustica，AAC，Goertek和許多其他公司都在批量生產(chǎn)MEMS麥克風(fēng)。許多商品MEMS麥克風(fēng)供應(yīng)商實(shí)際上是MEMS裝配商購(gòu)買(mǎi)MEMS“麥克風(fēng)”元件和ASIC（前置放大器，有時(shí)是編解碼器），并將其整合到IC封裝中。

超越麥克風(fēng)的音頻MEMS
擴(kuò)展MEMS從麥克風(fēng)到聲音發(fā)生器的發(fā)展是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檩椛鋮^(qū)域和偏移都是有限的。然而，MEMS器件作為管道內(nèi)助聽(tīng)器和植入式聽(tīng)力設(shè)備（例如，耳蝸和聽(tīng)覺(jué)腦干植入物）的理想接收器具有強(qiáng)大的下一步發(fā)展。由于它們靠近中耳，這些應(yīng)用具有非常小的“空氣泵送量”以獲得足夠的聲輸出。另一個(gè)更加雄心勃勃的步驟是耳內(nèi)式耳機(jī)（入耳式監(jiān)聽(tīng)耳機(jī)），其聲學(xué)輸出要求比植入式換能器少得多。
雖然整個(gè)行業(yè)已經(jīng)能夠數(shù)字化和縮小所有其他設(shè)備電子設(shè)備，但最后一個(gè)障礙是揚(yáng)聲器，它仍然是大型，重型，笨重且非常類(lèi)似的。

一個(gè)真正的商用MEMS揚(yáng)聲器還沒(méi)有準(zhǔn)備好，但是我在2月中旬在以色列期間寫(xiě)了這篇文章。當(dāng)時(shí)，Audio Pixels已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了MEMS揚(yáng)聲器的四部分商業(yè)化計(jì)劃的第三階段，包括功能原型。音頻像素現(xiàn)在可以專(zhuān)注于推進(jìn)與MEMS揚(yáng)聲器的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化相關(guān)的方面。

現(xiàn)實(shí)檢查
MEMS揚(yáng)聲器可以像我們所知的那樣發(fā)出揚(yáng)聲器的結(jié)束信號(hào)嗎？當(dāng)MEMS揚(yáng)聲器是可行的商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，可能會(huì)對(duì)揚(yáng)聲器行業(yè)，實(shí)際應(yīng)用，預(yù)計(jì)單位成本以及聲學(xué)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)產(chǎn)生什么影響？

幾十年來(lái)，MEMS麥克風(fēng)都顯示出來(lái)并且沒(méi)有。然而在過(guò)去的幾年里，他們已經(jīng)成為移動(dòng)音頻設(shè)備市場(chǎng)的主導(dǎo)者。另一方面，ATCO的超音速陣列揚(yáng)聲器也將接管 – 但這更像是一場(chǎng)股市運(yùn)動(dòng) – 而今天，它只是一個(gè)精品應(yīng)用。NXT也應(yīng)該為現(xiàn)有的揚(yáng)聲器技術(shù)帶來(lái)“世界末日”，但現(xiàn)在這種平板拓?fù)鋬H占據(jù)了很小的市場(chǎng)份額。幾年前的Tymphany線(xiàn)性陣列換能器（LAT）是聲音再現(xiàn)的另一個(gè)不同路徑的另一個(gè)例子。目前，Tymphany正在成功生產(chǎn)傳統(tǒng)但執(zhí)行良好的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)，不再提供LAT。隨著這些過(guò)去“不完全改變游戲規(guī)則的人”仍然記憶猶新，MEMS揚(yáng)聲器如何適應(yīng)揚(yáng)聲器行業(yè)？很明顯，揚(yáng)聲器將成為MEMS技術(shù)的一個(gè)艱難應(yīng)用，因?yàn)閾P(yáng)聲器需要活塞面積和偏移來(lái)移動(dòng)空氣。MEMS“揚(yáng)聲器在芯片上”的首次嘗試之一是在2002年，其特點(diǎn)是微隔膜的單獨(dú)尋址，這種機(jī)制類(lèi)似于德州儀器用于視頻投影儀的數(shù)字光處理（DLP）。十年前，在DLP時(shí)代的高峰期，德州儀器（TI）成為最大的MEMS制造商之一。類(lèi)似于德州儀器（TI）用于視頻投影儀的數(shù)字光處理（DLP）的機(jī)制。十年前，在DLP時(shí)代的高峰期，德州儀器（TI）成為最大的MEMS制造商之一。類(lèi)似于德州儀器（TI）用于視頻投影儀的數(shù)字光處理（DLP）的機(jī)制。十年前，在DLP時(shí)代的高峰期，德州儀器（TI）成為最大的MEMS制造商之一。

另一項(xiàng)早期工作是在賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的MEMS實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。該微型揚(yáng)聲器陣列使用256個(gè)元件，每個(gè)元件200×200μm。在邊緣操作中，由于10μm的小幅度偏移，它可以?xún)H達(dá)到低SPL。其他限制是低8kHz采樣率，非常低的SNR和不對(duì)稱(chēng)的脈沖響應(yīng)。
因此，似乎最有前途的MEMS揚(yáng)聲器技術(shù)將來(lái)自Audio Pixels。該公司采用了一種全新的技術(shù)，可以直接從數(shù)字音頻流中產(chǎn)生聲波。

Audio Pixels擁有機(jī)電結(jié)構(gòu)，壓力生成，聲波生成，控制，信號(hào)處理和封裝等領(lǐng)域的創(chuàng)新專(zhuān)利。其硅芯片既可以作為獨(dú)立揚(yáng)聲器使用，也可以在同一芯片的任意倍數(shù)級(jí)聯(lián)使用，以達(dá)到所需的性能規(guī)格。這種模塊化范例可與“參數(shù)揚(yáng)聲器”（如相控陣）或使用更多換能器來(lái)增加動(dòng)態(tài)范圍相媲美。

Audio Pixels的技術(shù)稱(chēng)為數(shù)字聲音重建（DSR）（見(jiàn)圖1）。DSR基于Homer Dudley在貝爾實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)30年代末引入的理論。貝爾實(shí)驗(yàn)室的原始項(xiàng)目是用于軍事通信的安全“數(shù)字”語(yǔ)音聲碼器，“數(shù)字揚(yáng)聲器”在接收端重建了語(yǔ)音。從一系列壓力產(chǎn)生元件或微傳感器產(chǎn)生的離散脈沖的總和產(chǎn)生所需的聲波（見(jiàn)圖2）。

與模擬揚(yáng)聲器不同，迷你揚(yáng)聲器不需要大的動(dòng)態(tài)范圍。在Audio Pixels的設(shè)計(jì)中，使用了一系列相同的元素，這些元素都經(jīng)過(guò)微調(diào)，以適應(yīng)特定的頻率。與模擬揚(yáng)聲器一樣，通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)的定時(shí)產(chǎn)生不同的頻率。不需要外部DAC，這些傳感器可以具有比現(xiàn)有揚(yáng)聲器拓?fù)涓叩哪芰啃剩瑵撛诘亟档椭C波失真，并且改善平坦度（具有簡(jiǎn)單的EQ）。

Audio Pixels首席技術(shù)官Yuval Cohen表示，“基于MEMS的數(shù)字聲音重建平臺(tái)使音頻揚(yáng)聲器市場(chǎng)能夠跟隨視頻顯示器市場(chǎng)的發(fā)展，從大型，重型模擬管式監(jiān)視器到數(shù)字平板顯示器今天的。推動(dòng)音頻揚(yáng)聲器變化的理由是對(duì)更小，更薄，更清晰的聲音，更節(jié)能的揚(yáng)聲器的需求不斷增加?！半m然實(shí)際商用MEMS揚(yáng)聲器可能不會(huì)很快上市，但該技術(shù)正在走向商業(yè)化的道路。功能原型已經(jīng)過(guò)演示，Audio Pixels與索尼合作，成為其MEMS代工合作伙伴之一，并與ASIC的ICsense合作。

文章最初發(fā)表于2015年5月的Voice Coil。