2015年1月，在揚聲器制造與聲學協會（ALMA）國際會議上，我發表了關于微機電系統（MEMS）揚聲器的演講，隨后進行了不少調查。作為上個月關注微型揚聲器的后續行動，我們認為可能是關于MEMS微型揚聲器的文章的時候了。這是真正的新技術，所以只有最近功能實驗室原型才能運行。

MEMS是非常小的器件的技術，通常由微傳感器/換能器和處理數據的專用集成電路（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揚聲器如何工作的基本解釋，以及未來的商業化挑戰。當MEMS揚聲器是可行的商業產品時，我們還需要考慮它們的實際應用，預計單位成本以及聲學優勢和劣勢。

一點MEMS歷史
過去三十年的MEMS發展緩慢而痛苦。關于MEMS開發計劃的半導體行業最喜歡的笑話是它們以狗年計算（是人類年的七倍）。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變得切實可行（見圖1）。MEMS主流消費電子設備包括加速度計，振動傳感器（例如，防盜警報器和氣囊傳感器）和麥克風。

幾十年來，MEMS麥克風的承諾進展緩慢，許多開發團隊最終放棄了。對MEMS公司的風險資本投資很少取得成功的結果，因為公司只是沒有耐心或持續力量繼續將資金投入研究。MEMS制造有很多步驟，每一步都能獲得高產量似乎總是處于另一個發展階段（見圖2）。第一億個MEMS麥克風耗時20多年，第二個十億生產耗時耗時兩年。如今，MEMS麥克風主要應用于智能手機，平板電腦和筆記本電腦。

MEMS加速度計原型于1989年在ADI公司（ADI）成功開發，其工藝類似于MEMS麥克風。到20世紀90年代中期，ADI成功地將氣囊傳感器加速度計商業化。Knowles也開始在同一時間開發其MEMS麥克風程序。2003年，Knowles在商業上推出了SiSonic MEMS麥克風。其他早期MEMS麥克風開發商包括Sonion和Akustica（現在是博世的一部分）。

MEMS第一代麥克風噪聲很大，只能達到50 dBa信號/噪聲（S / N）。但隨著持續改進，靈敏度增加，噪聲基底下降。到2010年，一些供應商達到了60 S / N，現在最好達到70 S / N！雖然微電子工程師通過性能規格來衡量MEMS麥克風的成功，但更實際的標準可能是MEMS麥克風占去年所有麥克風的一半以上。Invensense，Knowles，STMicroelectronics，Akustica，AAC，Goertek和許多其他公司都在批量生產MEMS麥克風。許多商品MEMS麥克風供應商實際上是MEMS裝配商購買MEMS“麥克風”元件和ASIC（前置放大器，有時是編解碼器），并將其整合到IC封裝中。

超越麥克風的音頻MEMS
擴展MEMS從麥克風到聲音發生器的發展是一個巨大的挑戰，因為輻射區域和偏移都是有限的。然而，MEMS器件作為管道內助聽器和植入式聽力設備（例如，耳蝸和聽覺腦干植入物）的理想接收器具有強大的下一步發展。由于它們靠近中耳，這些應用具有非常小的“空氣泵送量”以獲得足夠的聲輸出。另一個更加雄心勃勃的步驟是耳內式耳機（入耳式監聽耳機），其聲學輸出要求比植入式換能器少得多。
雖然整個行業已經能夠數字化和縮小所有其他設備電子設備，但最后一個障礙是揚聲器，它仍然是大型，重型，笨重且非常類似的。

一個真正的商用MEMS揚聲器還沒有準備好，但是我在2月中旬在以色列期間寫了這篇文章。當時，Audio Pixels已經成功實現了MEMS揚聲器的四部分商業化計劃的第三階段，包括功能原型。音頻像素現在可以專注于推進與MEMS揚聲器的大規模生產和商業化相關的方面。

現實檢查
MEMS揚聲器可以像我們所知的那樣發出揚聲器的結束信號嗎？當MEMS揚聲器是可行的商業產品時，可能會對揚聲器行業，實際應用，預計單位成本以及聲學優勢和劣勢產生什么影響？

幾十年來，MEMS麥克風都顯示出來并且沒有。然而在過去的幾年里，他們已經成為移動音頻設備市場的主導者。另一方面，ATCO的超音速陣列揚聲器也將接管 – 但這更像是一場股市運動 – 而今天，它只是一個精品應用。NXT也應該為現有的揚聲器技術帶來“世界末日”，但現在這種平板拓撲僅占據了很小的市場份額。幾年前的Tymphany線性陣列換能器（LAT）是聲音再現的另一個不同路徑的另一個例子。目前，Tymphany正在成功生產傳統但執行良好的揚聲器設計，不再提供LAT。隨著這些過去“不完全改變游戲規則的人”仍然記憶猶新，MEMS揚聲器如何適應揚聲器行業？很明顯，揚聲器將成為MEMS技術的一個艱難應用，因為揚聲器需要活塞面積和偏移來移動空氣。MEMS“揚聲器在芯片上”的首次嘗試之一是在2002年，其特點是微隔膜的單獨尋址，這種機制類似于德州儀器用于視頻投影儀的數字光處理（DLP）。十年前，在DLP時代的高峰期，德州儀器（TI）成為最大的MEMS制造商之一。類似于德州儀器（TI）用于視頻投影儀的數字光處理（DLP）的機制。十年前，在DLP時代的高峰期，德州儀器（TI）成為最大的MEMS制造商之一。類似于德州儀器（TI）用于視頻投影儀的數字光處理（DLP）的機制。十年前，在DLP時代的高峰期，德州儀器（TI）成為最大的MEMS制造商之一。

另一項早期工作是在賓夕法尼亞州匹茲堡的卡內基梅隆大學電子與計算機工程系的MEMS實驗室進行的。該微型揚聲器陣列使用256個元件，每個元件200×200μm。在邊緣操作中，由于10μm的小幅度偏移，它可以僅達到低SPL。其他限制是低8kHz采樣率，非常低的SNR和不對稱的脈沖響應。
因此，似乎最有前途的MEMS揚聲器技術將來自Audio Pixels。該公司采用了一種全新的技術，可以直接從數字音頻流中產生聲波。

Audio Pixels擁有機電結構，壓力生成，聲波生成，控制，信號處理和封裝等領域的創新專利。其硅芯片既可以作為獨立揚聲器使用，也可以在同一芯片的任意倍數級聯使用，以達到所需的性能規格。這種模塊化范例可與“參數揚聲器”（如相控陣）或使用更多換能器來增加動態范圍相媲美。

Audio Pixels的技術稱為數字聲音重建（DSR）（見圖1）。DSR基于Homer Dudley在貝爾實驗室于20世紀30年代末引入的理論。貝爾實驗室的原始項目是用于軍事通信的安全“數字”語音聲碼器，“數字揚聲器”在接收端重建了語音。從一系列壓力產生元件或微傳感器產生的離散脈沖的總和產生所需的聲波（見圖2）。

與模擬揚聲器不同，迷你揚聲器不需要大的動態范圍。在Audio Pixels的設計中，使用了一系列相同的元素，這些元素都經過微調，以適應特定的頻率。與模擬揚聲器一樣，通過改變運動的定時產生不同的頻率。不需要外部DAC，這些傳感器可以具有比現有揚聲器拓撲更高的能量效率，潛在地降低諧波失真，并且改善平坦度（具有簡單的EQ）。

Audio Pixels首席技術官Yuval Cohen表示，“基于MEMS的數字聲音重建平臺使音頻揚聲器市場能夠跟隨視頻顯示器市場的發展，從大型，重型模擬管式監視器到數字平板顯示器今天的。推動音頻揚聲器變化的理由是對更小，更薄，更清晰的聲音，更節能的揚聲器的需求不斷增加?！半m然實際商用MEMS揚聲器可能不會很快上市，但該技術正在走向商業化的道路。功能原型已經過演示，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。

文章最初發表于2015年5月的Voice Coil。