新世代发声单元：固态保真MEMS扬声器

固态保真MEMS扬声器

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闲云潭影日悠悠，物换星移几度秋。音响产品随着电声科技的变化和进步从而也带来不少的改变和优化，就发声单元而言，近年也有不少革命性的技术，去改良固有的做法，并为音频产品生产商和音响品牌带来更大的产品多元性和更多的元件选择。时间来到21世纪，扬声器进入固态保真时代，MEMS扬声器盛大登场。MEMS扬声器是多年来扬声器技术中最重要的创新。

图表1xMEMS扬声器

「MEMS」是MicroelectromechanicalSystems的缩写，中文为微机电系统，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，以半导体制程机械结构的技术或工具制造方法，其操作范围在微米尺寸内，这些元件通常由硅组成。

MEMS发声单元的振膜以直接弯曲产生横向应变，没有多余的位移量进而产生波动，藉此直接发出音频，所以效能相对较高。MEMS单元比电动式单元需要更高的电压来驱动。由于MEMS单元本身的阻抗本来就比较高，因此需要较低的驱动电流。

MEMS单元适合用在小耳机的原因就是体积可以更小，可以很灵活的组装在耳机内，尤其在带电池的蓝牙耳机，同等的体积内可以放较大的电池，从而延长续航力，又或是放置更多功能性的传感器，作更多的功能，可谓相得益彰。

MEMS单元本身便是构建在PCB基板上。扬声器可与无线耳塞、耳机、可穿戴设备等电子产品电路元件一起轻松集成到PCB中，能够大幅缩短设计音频产品声学结构方面所需的时间。

此外，MEMS单元也拥有较宽频宽，有些超越高清音频的标准（40kHz），驱动单体可轻松媲美动圈式和多个动铁单元配置，为高清音频的耳机带来一种更突破的元件选择，MEMS单元有较少的相位变动和较低延迟，所以对音频调试和主动降噪调试方面也是较为方便及有效。

当然，在音频产品上，要取代行之已久的动圈式单元发声机制，非一朝一夕，还需要不少时间去配合和测试，成本、生产流程和设计各方面都是缺一不可，用家们还需要等待更多采用MEMS单元的耳机产品推出市场，作出不同的比较和实测才能进一步体验其音质、音色的分别。

今天的音频行业有三个主要的发展方向：第一是更高保真、音质更好的音频，第二是更沉浸、更具空间感的音频，第三是助听器、辅听器及相关功能的发展。

这三个方向中，都对音频有更好、更高频、更完整的需求。但目前所有的动圈单元的频宽都有限，无法做到全频，甚至在8kHz以上就已非常吃力。而全硅MEMS方案就可同时满足高保真、沉浸感、助听辅听功能的需求。

其次，目前音频行业对于全自动化生产有了一定的需求，但自动化仍是动圈、动铁单元生产中需面临的挑战。而xMEMS的MEMS扬声器的生产已经是全自动化，且无论是在生产制作过程、还是应用场景下，MEMS扬声器都非常可靠。

综上两点，这就给全硅MEMS方案提供了机会。

从商业观点看一个产品的好与坏，至少要从两个面向来判定，一个是产品的生产条件，另一个则是产品的使用体验。假若产品的生产条件卓越，但体验很差，那肯定不能算是好产品；反之，若体验很好，但生产条件不佳，也很难取得成功。而MEMS扬声器则在这两个面向都取得了极佳的位置。

就生产条件来说，MEMS扬声器是半导体制造流程中实现，可完全的自动化生产，因此品质、产能和产量都可以精准的控制。甚至后段的测试，xMEMS也设计了可扩展的全自动测试机台，以确保每一个MEMS扬声器都具备相同的发声品质。（传统动圈式扬声器的声压级误差可达数dB）。

另一方面，MEMS扬声器是所谓固态（Solid-state）的产品，没有可动的部件，一颗晶片就是一个扬声器，因此非常便于进行电子系统的设计规划。再者，就是它具备很好的可靠性，产品本身具有抗振、防尘与耐高温的特性，尤其是抗振的特性，它能承受10000g的加速度冲击，几乎是没有摔坏的可能，非常适合可携式装置应用。

小体积则是它的另一个强项。相较于目前最小的动圈扬声器，则MEMS扬声器的重量只有六分之一，体积小了40%，而且厚度只有1mm，几乎可以放在任何的装置之中。

然后它使用硅做为主材料，也就自然没有特殊金属材料（如钴）的需求，供应链管理相对轻松不少。

自从亚马逊、苹果等新兴音乐服务公司开始提供高分辨率音频服务以来，公众就开始怀疑这是否值得溢价。研究人员甚至尝试确定普通消费者是否能分辨出普通音乐和高分辨率音乐的区别，发现“区分标准质量音频和高分辨率音频的能力很小，但具有统计学意义。”

事实上，据估计，大约只有5%的消费者能听出其中的区别。但是，如果他们通过能够更忠实地呈现音乐的扬声器来聆听高分辨率音乐呢？有迹象表明，大多数人都能听到他们错过的细节。

绝大多数人都是通过头戴式耳机和耳塞听音乐的。在2015年音频工程协会的一次会议上，甚至有报道称，85%的人在家中使用耳机听音乐，而不是在旅途中。所有这些耳机中的微型扬声器都基于传统架构，包括线圈、磁铁和塑料振膜。这种架构不仅没有足够的高性能来呈现高采样率、高分辨率的音频，而且也不够稳定，无法可靠、忠实地完成这些工作。为了让所有人都能感受到高分辨率音频，应该通过专门为所需保真度而设计的固态硅基微型扬声器来播放音频。

音频设备的Hi-ResAudio认证过程定义了对数字信号链（编解码器、DSP、DAC等）的要求，但经常被忽视的是，为了为听众生成Hi-Res音频，模拟信号链（扬声器和麦克风）也有同样重要的要求。

当谈到Hi-Res音频时，媒体和音频产品规格中的大部分注意力都集中在编解码器上，以确保它能够实现提供Hi-Res音频所需的位深度和采样率。由于使用低带宽、低功耗无线标准（如蓝牙）实现Hi-Res的挑战，这在快速增长的TWS（真无线立体声）耳塞市场中得到了更多的审查。

图表2高分辨率音频的动态范围和带宽

虽然编解码器和数字信号链的其余部分负责提供最高质量的数据流，但扬声器最终负责使用这些数据来产生我们听到的声音。如果音频流具有高质量和录音室制作水平，扬声器能否按照艺术家的意图准确地为人耳渲染和再现？消费者能否真正感知和欣赏Hi-Res标准所承诺的更高水平的细节、谐波和清晰度？这个问题对Hi-ResAudio的命运至关重要。它只是一个空洞的营销标志，还是提供更高水平的音频体验？消费者会听到更好的质量并愿意为差异支付更多费用吗？

对于传统的基于线圈的扬声器架构来说，使用入耳式微型扬声器达到Hi-Res标准要求是很困难的。该标准规定，扬声器的20kHz-40kHz响应要比扬声器在1kHz时的响应降低不超过-20dB。请注意，其他人可能会以不同的方式解释标准并参考替代频率（例如，10kHz而不是1kHz），或者可能选择以更激进的衰减限值（例如-10dB）为目标。未来，随着编解码器和流媒体服务采用更高的采样频率（如192kHz），实现-20dB的目标可能会变得更具挑战性。在这种情况下，扬声器对96kHz的响应也可能受到审查。

图表3Hi-Res扬声器要求图示（20kHz-40kHz：1kHz参考的-20dB或更低）

通常，基于线圈的扬声器架构的典型行为是，在较高频率下会出现自然滚降（声压级/响度损失）。所示的谐振峰值是声学峰值，它解释了密封内耳耦合器内的空气刚度。较高频率下的滚降是线圈式扬声器机械谐振频率的一个特征，通常低于2kHz。高频劣化使得线圈扬声器在40kHz（96kHz）达到-20dB目标时极具挑战性。

图表4动圈高音扬声器在比谐振频率更高频率下的驱动幅度降低

对于Hi-ResAudio的进步，扬声器的技术发展可能已经到来了。传统的线圈扬声器架构已经存在了大约100年。自50年前平衡电枢扬声器发明以来，直到2020年7月xMEMS推出全球首款固态微型扬声器，扬声器技术才取得重大进展。

与基于线圈的技术相比，固态MEMS扬声器具有许多引人注目的属性和性能优势。其关键特性是超声波和20kHz以上的机械响应接近平坦，这主要是由于压电MEMS致动器和硅振膜材料的刚度。基于线圈的扬声器操作专为单个机械谐振而设计，由于在高于谐振的频率下声压级衰减，导致带宽有限。相比之下，带有压电MEMS致动器的xMEMS扬声器设计有多种谐振，以实现宽声学带宽。这为耳塞系统设计人员提供了一条直接且低风险的途径来获得Hi-Res产品认证，并使消费者能够更轻松地辨别和欣赏与传统CD或MP3质量格式相比的Hi-Res音频体验。

下图显示，xMEMS扬声器可以在整个频谱中驱动近乎恒定的幅度。

图表5xMEMS扬声器在整个频率范围内的驱动幅度一致，甚至超出谐振峰值

下面的图表明，xMEMS扬声器的一致驱动能力与扬声器的最终频率响应相关，实现了80kHz的近乎平坦的响应！与1kHz响应相比，xMEMS扬声器实际上可以提供增益，而不是劣化。

图表620kHz至80kHzxMEMSMontara自由场障板频率响应测量

如今，消费者对通过Hi-Res标准增强音频体验的可能性有了更深入的认识，这在一定程度上要归功于Hi-Res在流行流媒体音乐服务中的支持。

从扬声器的角度来看，Hi-ResAudio标准侧重于使用超声波谐波（20kHz）与可听频谱（20Hz-20kHz）混合，以增强音乐中原声乐器的特性。但是，Hi-ResAudio没有解决的是如何通过改进扬声器技术来增强可听频谱中的声音再现。

这就是固态保真扬声器的用武之地。一种新的换能机制和几十年来扬声器性能特征的首次重大进步，可以引领超高分辨率音频的新时代：增强的清晰度和细节，准确再现声源，改善存在感和空间感。固态扬声器可以匹配或超过编解码器提供的源音频流的分辨率（位深度和采样频率）。

固态保真不仅仅是一种制造扬声器的新方法，它还具有更多功能这是一个提高消费类和专业耳塞对音频清晰度、精度和再现准确性的期望的机会。现在是时候从具有百年历史的扬声器技术中继续前进了。固态MEMS扬声器开创了超高保真音频时代，消费者翘首以待。

大多数MEMS扬声器（有时称为固态扬声器）都使用压电效应来驱动电机。这种效应利用了某些材料在应变和应力下变得电极化的特性，这种现象最早发现于18世纪中叶。压电材料是将机械能转化为电能的特定类型的晶体。能量转换是双向的，压电扬声器使用的原理有时称为逆压电效应。

为了使压电MEMS扬声器产生机械能（运动），悬臂是通过将电极之间产生的电压施加到压电晶体层上，使其改变形状而产生的。该层安装在像硅板一样的基板上，因此当顶层收缩时，两层都会向上弯曲。MEMS扬声器的工作原理是使用类似弹簧的结构，该结构包含多个弯曲悬臂来移动称为活塞的中心质量，从而产生运动。

图表7逆压电效应

为了让扬声器发出声音，它必须推动空气。为了让MEMS扬声器有效地做到这一点，经历压电效应的一小层晶体结构连接到膜上，该膜将运动传播到更大的表面积上。该振膜由压电MEMS电机移动，并产生声音。

图表8压电MEMS扬声器的技术原理

xMEMS的MEMS微型扬声器技术基于使用压电材料的逆压电效应，逆压电效应是通过施加电压使压电MEMS收缩或膨胀，将电能转换为机械能而产生的，这种能量激发集成的硅膜来推动空气并产生声音。与几十年来一直用于生产低档扬声器和蜂鸣器的块状压电陶瓷或晶体不同，xMEMS的压电MEMS致动器提供了更大的振动范围，从而实现丰富、响亮的音频。

xMEMS的超声波幅度调制是MEMS扬声器技术的一项创新，它以一种高效的方式将我们听不到的超声波（甚高频声波）转换为我们可以听到的全频音频。该过程具有高度创新性。首先，定制集成电路（IC）使用来自源设备的所需音频信号调制超声载波信号。这会产生一个超声波信号，其幅度包络由输入的音频信号塑造。该组合信号驱动MEMS扬声器中的一对悬臂，在扬声器外壳的封闭腔内产生声学超声波压力波。第二个解调器信号控制打开和关闭为扬声器腔室通风的微小襟翼，产生一系列空气脉冲以同步解调超声波。这些空气脉冲的包络形成了我们听到的声音信号。超声波脉冲的声音包络是源信号的精确声学副本，因此Cypress在所有频率上都能产生忠实的声音再现。

该技术可大幅提高效率，类似于D类对传统AB类放大器架构的改进。声学输出比xMEMS的上一代扬声器大40倍，后者在可听频段使用传统换能机制。新一代原型Cypress在CES2024上首次亮相，即使在20Hz下也可以达到140dB（SPL）以上，这是我们能听到的最低频率。这些扬声器还可以在耳塞和耳机中提供更有效的主动降噪（ANC）。由于这种方法适用于入耳式应用中的声音生成，因此它在小型扬声器的低频生成方面具有潜在的优势

图表9压电超声幅度调制MEMS扬声器的技术原理

与传统的由纸和塑料制成的扬声器振膜不同，xMEMS利用硅作为振膜材料。这一战略选择在解决材料刚度问题和提供无与伦比的清晰度和保真度方面发挥着关键作用。让我们来探讨一下使用硅作为振膜材料如何提升消费者的音频体验。

（1）解决材料刚度挑战

在传统扬声器中使用纸和塑料作为振膜材料，由于其材料刚度系数低，因此引入了固有的局限性。这可能导致扬声器分割振动现象，即振膜出现不均匀的偏移，从而导致声音重现浑浊。通过采用硅作为振膜材料，xMEMS扬声器有效地克服了这些挑战。硅的出色材料刚度特性确保振膜保持均匀，从而实现清晰准确的声音再现。

（2）在个人音频设备中释放全频谱声音

振膜材料的选择会显著影响扬声器再现全频谱声音的能力。在高端塔式扬声器市场中，强调高质量音频，中音和高音扬声器通常使用具有高杨氏模量（材料刚度因数）的材料。这样做是为了减轻扬声器分割振动现象并实现最佳音质。虽然纸和塑料可能足以制作低音扬声器和低音炮，但中音和高音扬声器需要更多奇特的材料以避免分割振动。通过利用硅作为振膜材料，xMEMS扬声器提供无可挑剔的准确和清晰的中高音存在感，为耳塞用户提供无缝和身临其境的声音体验，忠实地代表了艺术家的意图。

（3）在刚度和重量性能之间取得完美平衡

分割振动是材料刚度和重量的函数，更好的材料可以帮助消除分割振动或将分割振动推到更高、更不关键的频率范围。xMEMS扬声器中硅振膜的主要优势之一在于它们能够在出色的材料刚度和重量特性之间取得完美平衡。这种最佳组合使扬声器能够毫不费力地再现从中频到高频的整个频谱，防止可能影响音频质量的失真。

图表10硅与典型扬声器振膜材料的材料刚度图

通过选择硅作为振膜材料，xMEMS扬声器在声音清晰度和保真度方面树立了新标准。硅卓越的材料刚度和重量特性克服了纸张和塑料的局限性，确保了振膜的均匀位移，从而产生了非凡的音频体验，专为个人音频设备的高分辨率音频而设计。

在电气方面，MEMS扬声器表现为容性负载，需要更高的电压（峰峰值高达30伏），但电流几乎可以忽略不计，尽管总功耗与传统扬声器相当。需要注意的是，在此应用中，压电材料还需要施加直流偏置电压（典型值约为15伏）。偏置电压是必需的，因为压电材料只能收缩。由于您希望将其从静止状态（再现音频波形所必需）向任一方向移动，因此首先需要使用固定（偏置）电压将其收缩到中点。然后，您可以在应用信号的情况下上下移动它。

由于对于放大器来说，MEMS扬声器看起来像电容器，因此功率主要是无功的，可以在系统中重复使用，从而可以利用这些功率来进一步降低功耗。

xMEMS扬声器的一个主要特征是其快速的机械响应。与传统的音圈扬声器不同，传统的音圈扬声器表现出缓慢而漫长的衰减，xMEMS扬声器在快速起音和衰减能力方面表现出色。这种卓越的速度使每个声音在音频环境中都有其独特的位置和分离度。

xMEMS扬声器采用固态设计，基于电压而不是电流工作。这种设计使它们能够产生具有极快建立时间的瞬时脉冲响应，引入了脉冲真实声音再现的概念，其核心是准确捕捉原始录音的动态和时间，而无需任何更改或染色。

图表11xMEMS扬声器与传统动圈扬声器的脉冲响应对比

传统的线圈扬声器由于其电流驱动特性，即使在声源停止后仍可能继续振动或共振，这可能导致拖尾效果、声音再现浑浊和不必要的染色。相比之下，xMEMS的电压驱动固态扬声器在提供脉冲真实再现方面表现出色，并消除了原始录音的任何染色。这种根本差异使xMEMS扬声器能够在声音再现方面提供更高水平的分离度和独特性。

你有没有听过你最喜欢的曲目之一，并注意到声音失真，尤其是在持续的音符的醒目开始和逐渐消失的时候？这些失真可归因于扬声器的随机相位响应偏移。传统的动圈扬声器经常受到这些类型的相移的影响，尤其是在其谐振频率处或附近，导致声音重现失真。

相位特性在提供高质量音频再现方面起着至关重要的作用。传统的动圈单元通常会在谐振频率或接近谐振频率时出现明显的相移，通常为180°，这属于人类敏感的音频频率（500Hz-2kHz），这可能会导致播放过程中失真。重要的是要避免这种非线性相位特性，以确保音频性能的最佳音质。

图表12xMEMS扬声器与传统动圈扬声器的相位响应对比

xMEMS固态扬声器的突出特点之一是它们能够实现接近零的相位响应偏移。与传统扬声器不同，xMEMS采用创新方法来解决这个问题，将谐振频率置于临界音频频率之外，特别是在10kHz以上。这种深思熟虑的设计决策使xMEMS扬声器能够提供平坦的、接近零的相位响应，只有2°的最小偏差。因此，声音中的非线性效果被有效抑制，从而增强了音频保真度。

xMEMS的专利压电MEMS微型扬声器技术利用了现代半导体制造的精度和一致性，在相位特性方面提供了另一个明显的优势。每个xMEMS扬声器都表现出令人印象深刻的+/-1°的器件间相位一致性。这种显著的一致性具有多种优势，包括最大限度地减少校准需求、消除左右扬声器的匹配以及减少测试时间和成本。由于扬声器之间的变化可以忽略不计，音频响应始终保持清晰和精确，从而提高了空间音频应用的空间分辨率和准确性。

在空间音频起着关键作用的应用中，xMEMS微型扬声器的相位一致性变得更加重要。当音频从左扬声器移动到右扬声器时，反之亦然，扬声器之间没有变化，可以提高准确性和空间分辨率，并防止混浊。其结果是一个高度精确和身临其境的声场，具有清晰的分离和更高的音频清晰度。借助xMEMS扬声器，听众可以真正沉浸在丰富、逼真的音频环境中。

图表13xMEMSMEMS扬声器产品优势

xMEMS与首屈一指的纯晶圆代工MEMS制造商合作，拥有成熟的压电MEMS工艺，能够生产数十亿个单位。MEMS扬声器具有以下特征和优势：

性能

独特、高品质的声音

全频率范围（20Hz-20kHz）

由于集成了具有高谐振频率的硅膜，因此具有出色的高频保真度

由于直接压电驱动，响应速度更快

体积小

外形小巧，厚度约为1毫米，能够替代多个传统扬声器

可制造性和规模

集成了致动和薄膜的真MEMS微型扬声器

与手动组装的音圈方法相比，全硅工艺提供了准确性、可重复性和一致性

MEMS扬声器的第一个好处是它们的尺寸。传统的基于线圈和磁铁的扬声器对其最小尺寸有物理限制，而这些尺寸不适用于MEMS扬声器。MEMS扬声器不依赖笨重的磁线圈致动器，而是使用集成的压电致动器来推动振膜并产生声音。由于该结构（主要由压电薄膜和薄硅片组成）完全采用精密MEMS工艺制成，因此厚度可以小于1毫米。反过来，这意味着移动元件的总质量非常低。硅制造工艺允许回流焊接，以极其严格的公差简化生产，从而大大降低功率与部件之间的变化，并减少故障。

虽然制造商受益于更轻松的测试、可扩展性和一致性，但由于新技术的一些独特特性，消费者将体验到更高的音频质量。更快的机械响应（比当前技术快150倍）意味着平坦的频率响应、更好的相位响应和更低的失真，这是由于膜片的材料特性。由于MEMS扬声器在高频（可能扩展到80kHz）下具有更高的效率，因此它们可以轻松满足日本音频协会的高分辨率音频认证。

基于这些优势，MEMS扬声器是小型化音频设备（如耳塞、助听器）以及智能眼镜和AR/VR耳机等可穿戴设备的理想选择。

在音质表现方面，xMEMSMEMS微型扬声器具有高清晰度和高保真特点，能够实现精准的声音再现，卓越的中高音效果，带来高清音质和丰富的音频细节；xMEMSMEMS微型扬声器具有+/-1°的高度相位一致性，在保障左右耳相位一致性的同时，还能够增强空间音频方向的准确度，从而提升空间音频效果。

xMEMSMEMS微型扬声器具有快速响应的特点，声音命令产生传导到扬声器的群延迟平均值仅15微秒，能够有效提高非平稳噪声的ANC带宽，从而提升降噪效果；xMEMSMEMS微型扬声器具有高分辨率音频，高频再现可达40KHz，达到Hi-ResAudio认证标准。

在生产制造方面，xMEMSMEMS微型扬声器具有+/-1.5dB的高度声压级一致性，能够在生产过程中减少左右耳校准匹配过程；xMEMSMEMS微型扬声器具有高可靠性特点，通过了JEDEC标准，IP58防水防尘认证，可抗10000g冲击力，防止在生产过程中受损。

xMEMSMEMS微型扬声器采用硅基振膜，体积轻、刚性好、机械反应快，能够提供更清晰的音频效果，同时分布式驱动，能够有效减少失真；xMEMSMEMS微型扬声器采用轻薄封装，重量仅56mg，厚度1.15mm，非磁性，可以抗回流焊高温（SMT-ready）。另外，xMEMSMEMS微型扬声器在晶圆厂中生产，因此可以快速、一致、经济高效地大规模生产，满足客户快速部署的需求。

图表14固态保真

xMEMS微型扬声器利用分布式压电驱动技术彻底改变了传统的扬声器设计。分布式压电驱动，可在压电层和振膜之间实现出色的相位对准，确保压电层和致动结构几乎完美地重叠，从而实现无与伦比的相位一致性。通过消除随机相位响应偏移，xMEMS微型扬声器在保持整个音频频谱的精确相位特性方面表现出色。

扬声器分割振动是指扬声器振膜内发生不均匀行为和失真的现象。传统的动圈扬声器依赖于线圈和磁铁系统，其中薄铜线圈仅推动振膜的狭窄部分以移动空气并产生声音。这种集中的力驱动结构无法为大部分振膜提供直接支撑，从而增加了不均匀行为和扬声器分割振动的可能性。与传统扬声器不同，xMEMS微型扬声器借助分布式压电驱动降低了扬声器分割振动的几率。底层压电材料支撑和驱动几乎100%的振膜表面，在声音再现过程中保持振膜均匀和线性。

xMEMS微型扬声器采用的分布式驱动机制还支持具有多种谐振的扬声器设计，这有助于实现更宽的声学带宽。传统的基于线圈的扬声器工作通常设计用于单个机械谐振，导致在高于谐振点的频率下带宽有限和声压级衰减。相比之下，xMEMS微型扬声器利用其分布式压电驱动器来实现更宽的声学带宽，从而实现更身临其境的音频体验，从而捕获整个频率范围。

就控制的观点来看，MEMS扬声器的本质就是一个电子系统，因为它是使用半导体技术来驱动的，所以它势必有几个基本的电子元件来运行，包含ADC、DSP和放大器（amplifier）等。其中最关键的，则是放大器。

为了评估其性能并指定电路要求，可以通过查看几个重要参数来表征音频放大器：总谐波失真（THD）、SNR、效率和电源抑制比（PSRR）。THD测量放大器引入音频信号的失真：THD值越低越好，因为它们表明放大器正在生成更忠实的原始音频信号的再现;典型的THD值约为0.01–0.1%。SNR测量所需音频信号与放大器引入的无用噪声的比率;需要更高的SNR值，因为它们表明放大器正在产生更干净、更准确的音频信号;通常追求超过100dB的信噪比。音频放大器的效率是一个重要参数，因为它决定了有多少功率作为热量被浪费，以及有多少功率被输送到负载;通常，需要大于90%的效率值。最后但并非最不重要的一点是，PSRR测量放大器抑制电源中存在的噪声和其他不需要的信号的能力;事实上，电源中的任何噪声或波动都可能给音频信号带来不必要的伪影，导致输出失真;因此，PSRR值需要大于50dB。

由于压电材料需要恒定的偏置电压，当前压电MEMS扬声器需要Class-H的功放来驱动。xMEMS推出的Aptos2功放不仅提供直流偏置，还提供最大24dB的信号放大。Aptos2是一款适用于xMEMS扬声器的全差分高压放大器。与传统的AB类放大器相比，H类架构具有更高的效率。该设备集成了升压转换器和偏置电源，可通过3.6V电源提供最大30Vpp的输出。

图表15Aptos2功放

由于MEMS扬声器体积小、功率要求高，因此测量原始MEMS扬声器更加复杂。尽管如此，其基本测量原理与任何其他扬声器相同；复杂性在于夹具。除了音频测试系统（接口加软件）外，典型配置还需要一个耳朵模拟器耦合器来捕获信号、定制夹具来固定MEMS扬声器，以及一个用于MEMS设备的特殊驱动电路。压电MEMS设备具有非常高的输入阻抗，消耗的电流非常低。通常，MEMS扬声器制造商提供自己的驱动电路来提供电压偏置和升压转换器来提高电压，这应该用于进行测量。

图16显示了用于测量MEMS扬声器的测试配置的示意图，图17更详细地显示了测试夹具、耦合器和电荷放大器。为了测量压电式MEMS扬声器xMEMSMontaraPlus，xMEMS“Aptos”H类电荷放大器提供所需的偏置电压和高达24dB的增益来为设备供电。

图表16MEMS扬声器的测试设置

3D打印设备测试夹具连接到711耳模拟器耦合器以模拟入耳测量。AudioConnect2音频接口为耦合器供电并连接到SoundCheck进行分析。除了电荷放大器和定制夹具外，测试设置与传统扬声器的设置非常相似。测试本身是标准扬声器测试，其电平和频率范围适合设备。它播放激励（例如stepped正弦波）并分析响应，显示频率响应、阻抗和失真。

图表17用于MEMS扬声器耳机测量的电荷放大器和测试夹具

图表18MontaraPlusMEMS扬声器的频响

图18所示的频率响应在1kHz以内非常平坦。在较高的频率中，存在几个谐振。一个是由于压电材料引起的，另一个是由于耦合器的谐振引起的，它模拟了人耳。由于设计简单，MEMS扬声器比传统扬声器表现出更少的谐振。与传统扬声器相比，它们的活动部件更少，因此分解模式也更少。一旦测量了设备并知道了谐振，就可以在产品设计中考虑它们以尽量减少它们的影响。MEMS扬声器中较高频率的谐振实际上更容易设计，因为它们超出了人耳最敏感的范围。也许未来的发展可能会导致这些谐振完全移出可听范围。当然，这些信息还为改进MEMS扬声器模型提供了有用的数据点，这反过来又有助于设计更好的扬声器。

图19显示了MEMS扬声器的阻抗。您可以在此处看到它的形状与传统扬声器阻抗（图20）非常不同。虽然值要高得多，但它非常线性，这使得在设计产品时很容易进行补偿。

图表19MEMS扬声器的阻抗特性

图表20传统微型扬声器的阻抗

在测量MEMS扬声器或任何其他扬声器的总谐波失真(THD)时，使用频率归一化失真测量而不是传统失真测量是有利的，因为差异可能非常显著。归一化失真测量在绘制其比率之前将谐波电平与其测量频率下的基波电平进行比较，而不是与激励频率下的基波电平进行比较。这提供了更准确的结果，因为它消除了THD中非平坦频率响应的影响。这使得更容易看到THD响应中的峰值与基波响应中的峰谷无关，并且更容易设置限制。

图21显示了MontaraPlus压电MEMS扬声器的谐波在测量频率（而非激励频率）下以及基波下的绘制情况。您可以看到，高频下的基波凸起叠加在谐波上。

图表21压电MEMS微扬声器的二次和三次谐波

在图22中，橙线显示在常规刺激频率（THD）下计算的THD，蓝线显示在测量的激励频率下计算的归一化THD。从失真中去除非平坦频率响应的影响，可以更容易地看到失真响应中的峰值，而不受基波响应中的峰谷的影响。

图表22压电MEMS微扬声器的频率归一化THD（蓝色曲线）与传统THD（橙色曲线）的比较

它表明THD在10kHz以下非常低。与频率响应一样，了解高频失真可以通过良好的产品设计，可以最大限度地减少失真。从标准化测量结果可以清楚地看出，谐振频率在8kHz和9kHz之间时Q值较高，但除此之外，失真很小，因此设计工作可以集中在围绕该峰值进行规划上。如果设计基于橙色曲线所示的传统失真测量，则将浪费时间尝试解决图表上4kHz和5kHz之间实际上不存在的失真。

MEMS扬声器技术正在迅速发展，以满足当今的移动音频要求。结构简单，具有平坦频率响应、线性阻抗和可预测失真等特性，有助于将其设计到消费电子产品中。原始扬声器和成品的精确音频测量对于开发和改进模型至关重要，与更成熟的扬声器技术相比，这些模型仍处于起步阶段。虽然包含MEMS设备的成品可以像传统产品一样进行测量，但原始MEMS扬声器需要定制夹具和适当的放大器。使用这些测试组件，可以像测量传统驱动器一样测量它们。MEMS扬声器中的失真通常高度集中在一个频率附近，并且强烈建议使用归一化THD（通常称为频率归一化失真），而不是传统或非归一化失真测量，以准确评估这种失真。

图表23MEMS扬声器单元Montara

Montara是全球首款真正的单芯片MEMS全音域微型扬声器，直接在硅晶圆上构建了致动器和振膜，从而在频率响应和相位方面实现了无与伦比的一致性。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。Montara的快速机械响应性能实现了业界最低的群延时（groupdelay）和相移。对于制造商而言，这些特性减少了所需要的扬声器匹配和校准。

图表24MEMS扬声器单元Montara规格

Cowell是世界上最小的固态微型扬声器，为TWS耳机和助听器提供卓越的高频响应和清晰度，以及更宽的声场。

图表25MEMS扬声器单元Cowell

xMEMS的Cowell单元实现了音频高保真度的飞跃，为真无线立体声(TWS)耳机的高分辨率、无损音频创立新标准。Cowell的中高音音质逼真到令人惊叹，还增加了高音细节，这将彻底改变消费者的音频体验，使其沉浸在更广阔的声场中，音乐里每一个细微的差别都栩栩如生，清晰度和精确度无与伦比。

图表26MEMS扬声器单元Cowell规格

图表27MEMS扬声器单元Cowell在TWS耳机中的应用

图表28MEMS扬声器单元MontaraPlus

MontaraPlus是全球声压级输出最高的MEMS微型扬声器，是xMEMS第二代高分辨率全频（20Hz至40KHz）单片MEMS微型扬声器，能够发出高达120dB@200Hz的声压级，使其成为发烧级、高分辨率入耳式监听耳机的理想全带宽换能器，为更小、更轻、更简单的IEM设计开辟了一条道路，而无需多扬声器IEM实现的相位对齐和设计复杂性。

图表29MEMS扬声器单元MontaraPlus规格

图表30MEMS扬声器单元Cypress

Cypress采用6.3封装（对角线9mm），可以提供更强、更深的低音，与最好的10-12毫米传统线圈扬声器一致，包括低至20Hz并高于140dB的声压级（SPL）。超声波调制将超声波空气脉冲转化为丰富、细腻、重低音、高保真的声音。有了Cypress，xMEMS带来了优于传统线圈扬声器的独特优势，可进一步改进ANC应用。Cypress更快的电声转换可以有助于扩展ANC带宽（即扩展ANC以消除更高频率的噪音源，如婴儿的哭泣声）。此外，Cypress的电声转换时间（群延迟）近乎恒定，可以降低DSP滤波器的复杂性，进而减少处理ANC时的DSP延迟、舍入误差和功耗。

图表31MEMS扬声器单元Cypress规格

真无线耳机音频的黄金标准。搭载尖端的xMEMS扬声器和最新的蓝牙LEAudio技术，CreativeAurvanaAce真无线耳机提供无与伦比的音频清晰度和震撼低音，确保您永远不会错过任何好的节拍。

开创性音效。由xMEMS技术和定制的10毫米动圈扬声器驱动，享受跨足所有流派的丰富、详细的音频，从低音到高音都能表现出色。搭配高品质的aptXAdaptive音频编解码，CreativeAurvanaAce让您在移动中体验卓越的音效表现。

图表32CreativeAurvanaAce扬声器方案

图表33CreativeAurvanaAce2扬声器方案

精准音讯与时尚风格的结合。CreativeAurvanaAce2采用xMEMS技术，充分释放逼真音讯的潜能。通过采用Qualcomm®aptX™lossless的SnapdragonSound™技术、Qualcomm®Adaptive主动降噪等增强功能，体验卓越的CD级音质清晰度和精确度。这些优质功能与美观的光面紧凑型充电仓相得益彰。

声音如此真实。CreativeAurvanaAce2集成了卓越的双发声单元系统，该系统结合了xMEMS技术和定制调谐的10毫米动圈单元。双发声单元能够以非凡的精度提供各种自然音讯，从清脆的高音到丰富的低音和动感的中音。

图表34NobleFoKusTriumphTWS耳机

NOBLEFOKUSTRIUMPH通过混合xMEMS和动圈扬声器设计提供革命性的性能。

FoKusTriumph结合了尖端技术、出色的音质和TWS的便利性

xMEMS扬声器技术提供分辨率和细节的巅峰之作

xMEMS扬声器搭配6.5毫米动圈扬声器，可提供低频冲击力并增强音色

对音色完美的无尽追求。FoKusTriumph是Noble在TWS耳机中追求完美声音的一个典型例子。FoKusTriumph采用定制的6.5毫米动圈扬声器和CowellxMEMS扬声器。xMEM扬声器是一种相对较新的驱动单元技术，以提供以下功能而闻名：

独特、高品质的声音

由于集成了具有高谐振频率的硅膜，因此具有出色的高频保真度

采用直接压电驱动，响应速度更快

FoKusTriumph真无线耳塞采用混合扬声器配置，xMEMSCowell用于水晶般清晰的高频和6.5毫米动圈扬声器器用于低频，确保在整个频率范围内提供高保真、高分辨率的音频。Triumph的两个扬声器无缝协作，提供深沉而可控的低音和水晶般清晰的高音，让您听到所有在单个扬声器TWS中经常混淆和丢失的细节。

FalconMax是NobleAudio的首款采用xMEMS“Cowell”MEMS扬声器的耳机产品，一流的扬声器单元、SoC和编解码器三位一体设计，音质第一的理念正在进入新的领域。除了xMEMSLabs的“Cowell”MEMS扬声器为高频带来新的音质体验外，FALCONMAX还使用混合配置，配备一个直径为10mm的大复合动圈扬声器，用于低频。

图表35NobleFalconMax扬声器方案

图表36SoundpeatsCapsule3Pro+扬声器方案

SoundpeatsCapsule3Pro+搭载尖端MEMS固态微型扬声器和12mm动圈扬声器，双单元协同发声,带来革命性的音质飞跃。双扬声器配合下，Capsule3Pro+耳机的三频均衡，低音澎湃有力，高音细节无损还原，突破了TWS耳机的音质上限。凭借全方位的优秀音质表现，获得HiqhResolutionAudio高保真音频质量认证与授权，频响范围延展至20Hz~40kHz.带来权威标准下的高质量音乐聆听体验。

宽广声场更磅礴的低音爆发。搭载12mm高性能动圈扬声器低频下潜至20Hz，提供深沉、饱满的低频音效，仿佛置身于音乐现场,更具情绪感染力。

更透高频更大功放音乐“栩栩如生'。内置创新MEMS固态全硅扬声器，高频极致清晰，中高音透亮悠扬,音质通真到令人惊叹！配合功放芯片XAA-2000AptosClass-H，放大声音细节，带来1:1的细节还原度，原声精准再现，音乐“栩栩如生”。

图表37NobleXM1耳机

到目前为止，由于需要专用的高压偏置放大器，有线xMEMS技术一直受到限制。为了扩大xMEMS扬声器的可访问性和独特的声音特征，Noble在IEM本身中集成了一个高偏置放大器，无需额外的设备来驱动它们。

XM1采用2分频设计，结合了8.3毫米动圈低音扬声器和xMEMSCowell高音扬声器，为智能手机用户提供卓越的音频质量。XM1借助xMEMS帮助提供卓越的音质、相位一致性和高音扩展，进一步证明了NobleAudio作为便携式音频体验领导者的地位。

XM1采用混合2分频配置，xMEMS的MEMS扬声器Cowell提供清晰的中音和高音，以及8.3毫米高性能动圈扬声器，带来雷鸣般的低音。由此产生的声音非常清晰，中高音与xMEMSCowell所预期的那样，再加上xMEMS产品以前所缺乏的全低音扩展。MEMS和动圈扬声器协同工作，将声音性能提升到一个新的水平。

SingularityONI是世界上第一款采用单片硅MEMS扬声器的入耳式监听耳机。通过利用这项技术，ONI以独特的紧凑和轻巧的外形提供了超凡的声音清晰度和响应速度。

图表38SingularityONI耳机

特点：

透气的音频路径。ONI具有前后腔导通结构的扬声器，不会将内耳与外界隔离开来。这相当于减轻了鼓膜的压力，减少了汗水或耳垢的堆积，提高了舒适度。尽管通风透气，但ONI显著减弱了背景噪音，让您专注于音乐。

与iFiDiablo-X兼容。ONI中的xMEMS扬声器需要专门的放大器。iFiDiablo-X是第一款支持xMEMS扬声器独特需求的放大器，可搭配ONI使用。

图表34HibyXENO耳机

HiByXeno是一款突破性的入耳式耳机，采用石墨烯动圈单元加全硅MEMS单元的双扬声器架构，全频域都有高水平的声音细节表现。10mm石墨烯动圈扬声器可提供扎实丰满的中低音表现，全硅固态半导体MEMS扬声器Cowell提供水晶般清晰的中高音和细致入微的音乐解析力。各个声音频段衔接顺畅自然，音乐细节丰富，同时带来更纯净的清晰度以及悠扬甜美的高频响应，器乐弦乐表现力拉满。xMEMS扬声器单元负责延展中高频的细节和层次感，通过精准重现空间与声音信息，感受仿佛置身于舞台现场的声音体验。全新HiByXeno耳机经过专业Hi-Fi调音，音色表现绝佳，呈现出高音质的空间感和自然的聆听体验。

图表39SoranikMEMS-2耳机

规格：

包含1个xMEMS微型扬声器Montara

2针0.78mm连接器

3D打印人体工学外壳

打破声音再现的界限。便携式音频永远不会一样！SoranikMEMS-2与IFIAUDIODIABLOX完美搭配。iFiAudioDiablo-X是市场上第一款支持革命性xMEMS固态单片扬声器技术的DAC/放大器。iFiAudioDiablo-X具有完全平衡的4.4mm输出和4,100mW的功率，能够轻松驱动各种耳机，包括那些采用xMEMS技术的耳机。

图表40SoranikMEMS-3S耳机

规格：

1个全频xMEMS微型扬声器1个低音动圈扬声器

MEMS-3S是音频技术的突破性飞跃。有史以来第一次体验完全开放式混合MEMS入耳式扬声器无与伦比的沉浸感，让空气毫不费力地向内和向外辐射，提供自然的声场、无与伦比的通透和超越传统界限的感觉！

得益于先进的硅制造工艺，MEMS微型扬声器在尺寸、能效、音质和可靠性方面具有显著优势。凭借其紧凑的尺寸和超薄的外形，它们非常适合空间受限的应用。由于精确的运动和准确的频率响应，它们还可以提供高质量的声音再现。

图表41Mimitakara6EB3助听器

全球首款采用MEMS扬声器技术的助听器Mimitakara与xMEMS合作，将xMEMS的Montara扬声器整合到6EB3助听器中，为高频听力损失患者提供低失真的高品质声音。Montara的透气扬声器振膜还可以降低耳道中的压力，从而提高聆听舒适度并减少长期佩戴的疲劳。通过利用半导体精度和制造可扩展性，Montara提供了卓越的可靠性和坚固性，使其成为世界上第一款具有IP58防水防尘等级的微型扬声器。

声音乃是一种感官的体验也是一种艺术的塑造，音频产品就是用来表现艺术。不同类型的单元元件都会有其利弊，各有千秋，关键在于品牌和厂家怎样在产品设计上作出最佳的配合和创造出其品牌风格，造就各类不同消费者所喜爱的产品。

改变正在发生，而我们有可能正站在这个变革的起点上，至于它的范围有多大，影响有多深，我们目前仍不得而知。但至少有件事情可以肯定，MEMS扬声器的诞生与普及，的的确确为电子系统设计带来了正面的助益，它实现了更佳的整体效能，也让声音应用有了更多的可能性。而光这两点，我们就可以预期它将会在声音元件中占有关键的一席。

此外，xMEMS也正持续拓展产品的应用范围，要让MEMS扬声器全面进入现代人的生活之中，目前的成果（耳机）仅仅只是第一步而已，未来要进入智能手机，要彻底地突破目前手机听筒和扬声器上的音频效果，为便携式音乐带来颠覆性的变化。

沧海横流，方显英雄本色。乘风破浪，更知壮志凌云。愿MEMS扬声器在Hi-Res音频时代大有作为！

参考文献：

余彤雪，新世代发声器件：MEMS单元，SPILL

AJWykes，WhatisaMEMSspeaker?，SoundGuys

SteveTemme(ListenInc.)andMichaelRicci(xMEMS)，MeasuringMEMSMicrospeakers，Audioxpress

4.籃貫銘，迎接「矽」声代━MEMS扬声器，CTIMES

5.MikeHousholder，SuperiorDiaphragmMaterial:Explore3KeyAdvantagesofSilicon

6.MikeHousholder，FiercelyFastMechanicalResponse:UnveilingPulse-trueSoundReproduction

7.MikeHousholder，2DefiningPhaseCharacteristicsofxMEMS’Speakers

8.MikeHousholder，AnInnovativeSpeakerArchitecture:TheDistributedPiezoDrive

9.MikeHousholder，ExecutiveInsight:Hi-ResMusicNeedsHi-ResSpeakers

10.MikeHousholder，Hi-ResAudio:WhySolid-StateMEMSSpeakersareIdealforHigh-DefinitionAudioExperiences

11.MikeHousholder，Solid-StateFidelity:TheEraofUltra-High-ResolutionMEMSSpeakershasArrived

12.MomoZhong，对话xMEMSCEO：MEMS扬声器是音频行业的NextBigThing，国际电子商情