前言
近些年，随着以USound、xMEMS为代表的MEMS扬声器公司不断打磨技术能力并完善产业链，多款MEMS扬声器新产品应运而生并持续迭代更新，全球MEMS扬声器产业蓬勃发展并大放异彩。在压电式MEMS扬声器方案中，USound MEMS扬声器是通过压电MEMS致动器搭配传统的振膜技术实现；xMEMS则是通过固态全硅压电技术实现，创新单片的换能结构在硅中同时实现了致动器和振膜；AAC MEMS扬声器同样基于PZT薄膜压电技术，振膜与驱动结构一体，采用纯MEMS工艺制备。其它主要MEMS扬声器厂商有Bosch，Sonic Edge和Audio pixels。Bosch通过收购Arioso Systems实现MEMS扬声器布局，主要采用了全硅纳米静电驱动（Nanoscopic Electrostatic Drive，NED）技术。Sonic Edge通过调制超声波信号以产生高质量的声音。Audio pixels采用数字声音重建（Digital Sound Reconstruction, DSR）技术实现了基于硅芯片的音频扬声器。
MEMS扬声器经过精心设计，具有鲁棒性、可靠性好的特点，并以紧凑的封装尺寸提供市场上绝佳的音频性能。MEMS 扬声器在多种应用中表现出色，包括真无线 （TWS） 耳机、OWS耳机、助听器、入耳式监听耳机（IEM）、头戴式耳机、睡眠耳机、核磁共振耳机、XR 眼镜和音频眼镜、音箱、汽车等。MEMS扬声器实现了更符合人体工程学的创新，为耳戴式设备、智能眼镜和XR眼镜的音频模块的小型化做出了贡献。基于紧凑型MEMS扬声器的音频解决方案，使制造商能够为耳戴式设备添加更多功能，以改善用户体验。凭借先进的基于MEMS扬声器的声音解决方案，客户可以实现前所未有的产品设计可能性，以应对现代音频设备的众多挑战。
图表 1 MEMS扬声器应用案例
MEMS微型扬声器不仅以其标志性的清晰音频改进了现有的音频系统，而且由于其尺寸小巧，还可以减小可穿戴或耳戴式设备的尺寸和重量。MEMS扬声器在整个音频带宽及超声频带内满足市场对高声压级和低失真的需求，不仅支持密封应用（如入耳式耳机），还支持自由场和近场应用（如可穿戴设备和超声波应用）。
2 TWS耳机
MEMS扬声器是设计高性能、高能效的真无线立体声（TWS）耳机的绝佳选择。MEMS 扬声器外形紧凑，可实现小型化和模块化，为其它器件和大容量电池节省出空间，以最大限度地增加播放时间。
2.1 动圈+MEMS扬声器模组
2.1.1 xMEMS模组方案
xMEMS改变游戏规则的二分频扬声器模组是为高分辨率、无损音频而设计，结合了Bujeon Electronics 的9mm定制动圈低音扬声器和xMEMS的Cowell固态MEMS扬声器，世界上保真度最高的高音扬声器。应用Cowell MEMS 扬声器单元后，TWS耳机拥有最准确的时域音乐再现、无与伦比的声音清晰度和提升的空间感。拥有完全集成的二分频Cowell模组将使TWS耳机更上一层楼，大大减少耳塞的外形尺寸，使它们更加符合人体工程学，并为添加更多嵌入式技术（例如传感器）提供了可能性。该模组是TWS耳机的即用型解决方案，制造商可以轻松地将该模组集成到耳机中，以实现绝佳的音频体验。
图表 2 MEMS扬声器Cowell单元及二分频模组
2.1.2 Usound模组方案
图表 3 USound与立讯推出的Gemini二分频模组
Gemini展示了两个（不相同）组合扬声器的使用。创新的核心是将USound的Conamara MEMS高音扬声器集成到环形动圈低音扬声器中，从而形成一个二分频系统。除了两个扬声器外， Gemini 模块还包括：
lUSound 的放大器 ASIC Tarvos 1.0 ，专为 MEMS 扬声器设计。
l朝内的麦克风，可用于反馈 ANC。
l所有信号（输入和输出）的组合输入，带有 FPC 板对板连接器。
l一种声导管元件，旨在将高音扬声器信号直接带到耳机出声孔，避免有害共振。
图表 4 Gemini二分频模组的频响曲线
Gemini双驱动器提供了许多优势，首先是每个扬声器元件都可以针对特定频率范围进行严格优化，其中动圈扬声器（低音扬声器）可以设计为更灵活的振膜，从而改善高泄漏情况下的声压级（SPL）。虽然这会导致高频SPL的损失，但这可以通过USound的Conamara UA-C0601-2T MEMS高音扬声器进行补偿。MEMS高音扬声器能够在高频下实现理想的性能，并扩展至远高于20kHz的高分辨率音频。
2.1.3 AAC模组方案
AAC可为TWS整机厂商提供动圈扬声器+MEMS扬声器+MEMS FB MIC的一体化模组解决方案，充分利用TWS耳机前腔空间，大幅降低客户端器件堆叠应用门槛，提升组装良率。
图表 5 AAC MEMS扬声器及其模组
2.2 TWS耳机方案
2.2.1 xMEMS方案
图表 6 xMEMS二分频模组在TWS耳机中的应用
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，而且增加了高音细节，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 7 MEMS扬声器单元Cowell在TWS耳机中的应用
图表 8 MEMS扬声器Cypress在 ANC TWS耳机中的应用
Cypress 采用 6.3 x 6.5 x 1.65mm 封装（对角线 9mm），可以提供更强、更深的低音，与最好的直径10-12毫米传统动圈扬声器一致，包括低至20Hz并高于140 dB的声压级（SPL）。有了Cypress，xMEMS 带来了优于传统动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。
2.2.2 Usound方案
图表 9 Conamara MEMS 扬声器在TWS耳机中的应用
Conamara MEMS 扬声器的特点是圆形外形（提供5mm或6mm直径版本）和极薄的厚度 （1.5mm）。其纤薄的外形可实现小型化和模块化，为其他传感器和组件节省空间，并为工业设计提供最大的灵活性。Conamara 扬声器的性能优于传统的动圈（ED） 和平衡电枢 （BA） 扬声器，以更小的体积、重量和厚度实现更高的声压级。
图表 10 USound MEMS高音扬声器在TWS耳机中的应用
USound 扬声器作为高音扬声器表现出固有的优势，因为振动质量小，这使得扬声器从一开始就具有高声压级，而且会产生更精确的运动，这对于高频的准确再现尤为重要。此外，USound 第二代扬声器 Conamara 的典型扁平和圆形形状比同类竞争对手更适合任何耳机形状。因此，具有明显的集成优势，从而实现更好的声学设计。USound 高音扬声器的声学集成减少了必要的妥协。使用USound MEMS高音扬声器，可以实现整体优化的声音性能。
图表 11 USound MEMS高音扬声器在TWS耳机中的设计示例
2.2.3 AAC方案
经过设计及工艺上的多轮迭代优化，AAC SOPRANO在产品形态、尺寸、性能及可靠性等方面，均完美契合TWS耳机场景的应用要求，可为TWS整机厂商在耳机设计、堆叠组装等维度提供了更多灵活性及便利性，为终端用户提供更高品质的音频体验。
图表 12 AAC SOPRANO单元在TWS耳机上的应用
图表 13 AAC SOPRANO单元在TWS耳机上的应用优势
2.3 已上市产品
Aurvana Ace 和Aurvana Ace 2 真无线耳机由xMEMS Cowell单元提供支持，经过专业调试，可提供5Hz至40kHz更宽的频率响应，呈现出卓越的音频清晰度，带来身临其境和逼真的声音。得益于xMEMS尺寸小但性能强大的硬件，Aurvana Ace 和Aurvana Ace 2 TWS耳机具有水晶般清晰的声音，以惊人的准确度重现音乐和音频内容的每个细微差别。无论是聆听喜爱的歌曲，观看电影还是参加电话会议，用户都将能够享受真正的沉浸式、身临其境的音频体验。
真无线音频的黄金标准：Creative Aurvana Ace 系列真无线耳机融合了尖端的 xMEMS 扬声器和最新的蓝牙 LE 音频技术，带来无与伦比的音频清晰度和深沉的低音，确保您不会错过精彩的节拍。
突破性的音频：由 xMEMS 技术和定制调校的 10 毫米动圈扬声器提供支持，从浑厚的低音到清脆的高音，享受所有类型的丰富细致的声像定位。
图表 14 Creative Aurvana Ace 系列耳机MEMS扬声器单元方案
3 XR眼镜和音频眼镜
MEMS扬声器用于智能眼镜和增强现实应用的音频系统，扬声器安装在镜腿中，以最小的外形尺寸提供出色的音质。二分频系统结合了低音扬声器和高音扬声器，以最大限度地发挥两个扬声器的声学性能：高音扬声器采用 MEMS单元，具有清晰的高音；低音扬声器采用动圈技术，具有一流的低音性能。该系统具有特定的架构，以抑制和减少辐射到环境的声音并最大限度地保护隐私。
MEMS扬声器提供强大的解决方案来增强XR眼镜和音频眼镜的音频。紧凑的音频模块简化了眼镜的镜腿，最大限度地减少了它们的外形尺寸，同时最大限度地提高了用于其他组件和传感器的空间效率，而不会影响音质。由于外形小巧，MEMS扬声器在设计最薄的镜腿时具有最大的灵活性，适用于轻量眼镜。由于MEMS批处理和全自动制造工艺，零件间的差异是音频行业中最小的。MEMS扬声器符合国际可靠性标准，以确保产品生命周期内的稳健性和稳定的性能。
3.1 动圈+MEMS扬声器模组
图表 15 Usound Danube 5.0 UAM-P2050镜腿模组
Danube 5.0 UAM-P2050 是一款用于 AR/VR 和音频眼镜的快速原型制作套件，在音频性能和所需的音量之间提供一流的平衡，以增强眼镜的音频。Danube 5.0 UAM-P2050 采用二分频音频系统，结合了 USound MEMS高音扬声器和0815动圈低音扬声器。
l卓越的音频质量
Danube 5.0 UAM-P2050 套件具有宽音频带宽 （300 Hz–20 kHz），并以较小的空间消耗提供具有竞争力的声压级。
l偶极子结构
Danube 5.0 UAM-P2050 音频镜腿采用 USound 获得专利的偶极子配置和优化的声学设计，可在宽音频带宽上实现最大的音频隐私。
l简易安装机制
Danube 5.0 UAM-P2050 具有易于移动的安装结构，可在测量过程中实现音频镜腿的可重复定位。音频镜腿是对称的，可以安装在测试眼镜的两侧。
图表 16 Danube 5.0 UAM-P2050镜腿模组在KEMAR人头上的频响曲线
图表 17 Fauna 音频眼镜中的偶极子实现
使用这种偶极子配置的明显好处是，SPL在水平面上减小。在人们靠近用户的实际案例场景中，这转化为较低的音频泄漏，而不会影响用户的声音体验。另一个好处是，通过后腔开孔，扬声器后面不需要额外的后腔容积来避免低频下的声压级损失。这导致了整体更小的设计，并具有最佳的音频性能，正如 Fauna Audio Glasses 所体验的那样。为了使用偶极子配置进行快速原型设计，USound 开发了用于二分频音频模块的 Danube UAM-P2050 参考设计，可与 Helike UA-E3010 结合使用进行测试。
3.2 XR和音频眼镜方案
3.2.1 xMEMS方案
对于XR头戴及眼戴产品而言，提供卓越的音质对于创造真正沉浸式空间音频体验至关重要。凭借其紧凑的设计、更小的声学振动和卓越的声学性能，xMEMS 扬声器为智能眼镜和 XR 头戴设备提升音质提供了完美的解决方案。
图表 18 Montara Plus在XR眼镜和音频眼镜中的应用
xMEMS方案的优势：
l无与伦比的声音清晰度和保真度
l1.15mm厚度，实现无缝集成
l+/-1° 部件间相位一致性，适合空间音频重现
l减少眼镜框内的声学振动
3.2.2 USound方案
图表 19 音频眼镜的二分频声学系统
音频组件小型化的主要问题是扬声器的尺寸。为了达到可接受的音质，单个扬声器必须具有相对较大的尺寸，这将是设备工业设计中的主导因素。将扬声器组件拆分为两个独立的设备——一个用于低频的低音扬声器和一个用于高频的高音扬声器——使设计更加灵活。
微型二分频系扬声器统的优势：
l可以增加音频带宽
l在空间消耗和功耗之间提供最佳折衷方案
l为工业设计师提供更大的自由度来放置组件
图表 20 二分频系统的频率响应示例
3.3 已上市产品
Fauna眼镜采用双扬声器架构，采用 USound MEMS微型高音扬声器和动圈低音扬声器。
图表 21 Fauna音频眼镜
4 入耳式监听耳机（IEM）
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。由于精确的振动和准确的频率响应，它们还提供高质量的声音再现。
4.1 入耳式监听耳机(IEM)方案
4.1.1 xMEMS方案
如果音频流具有高质量且堪比工作室制作水准，消费者能否感知到Hi-Res标准所承诺的更高层次的细节和清晰度呢？凭借xMEMS的全硅MEMS微型扬声器技术，答案是——绝对可以！
图表 22 MEMS扬声器Montara Plus在IEM中的应用
用xMEMS的固态MEMS扬声器耳机试听一些喜欢的曲目，可以发现一些以前没有注意到的细节，甚至发现了以前没有注意到的乐器，而这些细节是使用传统高端入耳式耳机所无法分辨的。凭借其特殊的结构和设计，MEMS扬声器在声音的清晰度和自然度方面表现出色。这种栩栩如生的音频质量为全球发烧友创造了身临其境的声音体验。凭借这种先进的声音解决方案，将高品质音频和无限的设计可能性相结合，MEMS扬声器能够应对现代音频设备中的众多挑战。
图表 23 使用Montara Plus 的IEM参考设计
4.1.2 Usound方案
MEMS 扬声器非常适合入耳式耳机，因为它是可有效覆盖20Hz至20kHz整个可听带宽的最小传感器。包括腔体和泄声孔在内的声学设计可以针对其特性性能进行优化，以产生清脆清晰的声音特征。与基于动圈扬声器的商用产品相比，MEMS 扬声器在提供高 SPL 和低 THD 方面脱颖而出。
图表 24 Megaclite 4.0 UH-R2040 IEM耳机参考设计
Megaclite 4.0 UH-R2040是一款基于Ganymede系列的Achelous MEMS扬声器的有线USB-C耳机参考设计。它在每个耳塞中都有一个MEMS扬声器，可提供清脆、清晰的高音和强大的低音响应。
l出色的音频质量
Megaclite 4.0 UH-R2040提供优质音频，具有32位高分辨率音频处理和48kHz采样频率。耳机在达到 105dB SPL@1 kHz时具有低于1%的THD 。
l性能优异
在客观测量和普通听众的主观感知中，Megaclite 4.0 UH-R2040在声音清晰度、声音自然度、脉冲响应和低功耗方面表现出色。
l定制音频均衡器
由于 Megaclite 4.0 UH-R2040提供的高性能DSP，可以调整音频滤波器以满足目标曲线。
4.2 已上市产品
4.2.1 Singularity ONI
Singularity ONI是世界上第一款采用单片硅MEMS扬声器的入耳式监听器。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 25 Singularity ONI耳机
特点：
l双xMEMS Montara扬声器。每个 IEM 包含 48 个硅辐射表面，这些振膜表面具有前所未有的低质量和高刚度，以比现有扬声器快30-150倍的速度匹配音乐信号。此外，ONI中的xMEMS扬声器可提供世界上最好的相位精度。这些因素直接转化为更优美、更准确的音乐。
l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显着减弱了背景噪音，让您专注于音乐。
l与iFi Diablo-X兼容。ONI中的xMEMS扬声器需要专门的放大器。iFi Diablo-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。
4.2.2 Soranik MEMS-2
图表 26 Soranik MEMS-2耳机
规格：
l1 个 xMEMS 微型扬声器，1 个 USOUND 微型扬声器
l2 针 0.78mm 连接器
l3D打印人体工学外壳
Soranik MEMS-2与 IFI AUDIO DIABLO X完美搭配。iFi Audio Diablo-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。iFi Audio Diablo-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，包括那些采用新xMEMS技术的耳机。
图表 27 xMEMS Montara单元
xMEMS Montara单元：全球首款单片真正MEMS扬声器，整个扬声器采用硅基。
