图一 : MEMS扬声器最大的特色就是它使用微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems）技术来发出声波。图为xMEMS的MEMS扬声器耳机。（拍摄／篮贯铭）

声音的原理，是物质受力後产生震动，再透过介质把震动所形成的能量波传递出去，而这个量波再被人耳（或任何物种）所接收、识别的一整个过程。在这个基础上，人类发明了扬声器（Speaker）。

扬声器诞生於18世纪，到20世纪发展臻至成熟。目前主流的扬声器形式几??皆采用永久磁铁、线圈与锥形盆的结构来产生声波，他们透过高速的电与磁的交互作用来发出不同频率的声波，是非常可靠且高质量的发声装置（或元件）。

在过去，这样的发声装置并没有什麽特别需要挑剔之处，尽管它存在着一些显而易见的缺陷，例如结构脆弱、不易微小化，也不容易全自动化的量产（像线圈的绕线与组装都相当仰赖人工）。但随着行动（Mobile）与整合（Integration）的趋势不断的发展，传统扬声器的机构就成了一个难以克服的瓶颈。

但，现在有了第二个选择━MEMS扬声器。

什麽是MEMS扬声器？

不同於传统的架构，MEMS扬声器最大的特色就是它使用微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems）技术来发出声波。它没有线圈，也不用磁铁，因此它的结构相对简单。更大的不同点，是它可以在半导体制程中实现，意味着它完全可以自动化量产。

那它究竟怎麽发出声音？

顾名思义，MEMS扬声器的声音是透过MEMS技术来形成，但真正的难题在於如何「主动」产生震动，而且薄膜材料还要具备足够的硬度和弹性，可以发出清晰可辨且高质量的声波。

而这个问题，被一家美国新创公司xMEMS（知微电子）给突破了。

xMEMS是全球首家量产MEMS扬声器单晶片的业者，虽然是一家美商，但它的主要成员与生产制造都和台湾有密切相关。执行长暨共同创办人姜正耀（Joseph Jiang）也来自台湾，交大电子工程系毕业後，他便赴美发展，且一路都从事与MEMS技术相关的工作，包含InvenSense、富迪科技与楼氏电子（Knowles ）。

图二 : xMEMS使用了一种只要施加电压就能产生形变（震动）的技术，让矽薄膜可以快速、精准地发出相应的音频。（source:xMEMS；CTIMES制图）

为了让MEMS的矽薄膜可以产生震动，xMEMS使用了一种专利的压电（Piezo MEMS）技术。这种压电技术是一种使用压电效应来产生震动的方法。而压电效应是机械能与电能相互转换的原理，它分成「正」与「逆」两种压电效应，xMEMS所采取的则是逆压电效应。

简单的说，xMEMS使用了一种只要施加电压就能产生形变（震动）的技术，并开发出专属的致动器（Piezo Actuator）和放大器（Aptos），让矽薄膜可以快速、精准地发出相应的音频，於是MEMS扬声器，不，更正确的说法是「MEMS扬声器单晶片」就此诞生了。

关於xMEMS的成立

至於如何想到要发展MEMS扬声器？又为何使用压电技术？Joseph在接受CTIMES专访时，谈到了他研发MEMS扬声器的起心动念，以及当初成立xMEMS的过程。

「2017年，我在Knowles 担任市场部??总，当时Knowles已是全球最大的MEMS麦克风厂商。那个时候我就在思考这个事（MEMS扬声器），离开以後我就着手研究怎麽把它做出来。」Joseph回??当时成立的经过。

在创立xMEMS之前，时任职於楼氏电子的Joseph，见证了MEMS麦克风的崛起。在当时，MEMS麦克风几??可说是以席卷之姿，在很短的时间内就取代了大部分的ECM麦克风市场。而这也激起了他发展MEMS扬声器的念头。

「既然MEMS麦克风可以，为什麽MEMS Speaker不行！」Joseph提了一个理所当然，但却无人可竟的问题。当时市场上没有MEMS扬声器的原因其实相当的直白，就是它太难了，还没有一个理想的解决方案能将之实现。

所以离开楼氏之後，Joseph便找了大学同学和以前的同事，在2018年成立了xMEMS，开始着手MEMS扬声器的研发工作。

图三 : xMEMS执行长暨共同创办人姜正耀（Joseph Jiang）来自台湾，一路都从事与MEMS技术相关的工作。（source:xMEMS）

从原理上来看，制作MEMS麦克风是相对容易的，因为它是侦测声波在矽薄膜上的震动所产生的电容讯号差，并将之转换为数位的音讯讯号，所以只需要很小的讯号量就可以进行转换。但扬声器不是，它需要把讯号放大，并一路传递到人耳内。

护国神山助了一臂之力

正苦於如何突破「发声」困境的xMEMS，因缘际会的得知了台积电有一种压电材料，正可满足他们的应用需求。於是他们就向台积电提出了合作的提案，顺利取得了关键的材料，并在美国的实验室成功开发出了MEMS扬声器。

当他们把研发成果向台积电展示之後，随即说服了这家全球最大、世界最顶尖的晶片代工厂成为它的夥伴，并愿意为他们代工生产MEMS扬声器。

「台积电绝对不会随便帮一家新创公司代工晶片，他们有很高的审查标准。」Joseph说道。

这虽不能说是背书，但台积电的决定几??就是一个十分有力的证据。他们在看过、听过xMEMS的产品之後，就洞悉了这个产品的市场潜力，它的的确确有可能复制当年MEMS麦克风的发展脉络，一举颠覆扬声器的市场。

而在台积电的大力支持下，xMEMS的产品良率皆达到相当不错的目标（一般产品都可高於八成），同时台积也将会给予产能上的支援。

图四 : 台积电为xMEMS的MEMS扬声器代工。图为其8寸制程晶圆。（拍摄／篮贯铭）

为什麽是MEMS扬声器？

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，但生产条件不隹，也很难取得成功。而MEMS扬声器则在这两个面向都取得了极隹的位置。

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。甚至後段的测试，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音量误差可达数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，因此非常便於进行电子系统的设计规划。再者，就是它具备很好的环境抗力，产品本身具有抗震、防尘与耐高温的特性，尤其是抗震的特性，它能承受1万g的力量，几??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。相较於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??可以放在任何的装置之中。唯一的问题，可能是它真的太小了，要实现最隹的音质体验，装置的设计就需要一番思量。

然後它使用矽做为主材料，也就自然没有特殊金属材料（如??和钴）的需求，供应链管理相对轻松不少。

MEMS扬声器的电路设计

就控制的观点来看，MEMS扬声器的本质就是一个数位电子系统，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。

「MEMS扬声器对ADC或者DSP并没有特殊的需求，但是放大器则需要特别设计。」针对电子系统，Joseph特别进行了说明。

他表示，在目前的手持装置与穿戴系统中，xMEMS的放大器不仅仅提供信号源给扬声器，更针对扬声器的特性提供音质补偿以及保护，具备智能化的功能。 但现在市场上主流的放大器都是针对传统的线圈扬声器所设计的，并无法相容共用。

「我们很早就发现市面上原有的放大器对xMEMS压电扬声器并不完全适用，也因此我们很早就开始设计自己的放大器━Aptos。」Joseph说道．

所以Aptos不仅仅只是作为讯号放大的功能而已，它还肩负着音质调教的功能，并与xMEMS压电扬声器产生最隹的音质，另也整合系统上的其他元件，实现最简洁的设计，进而降低系统整体的材料成本（BOM）。

不过由於压电材料需要专用的放大器，这也使得MEMS扬声器需要多一些些的电耗。而根据xMEMS的实际测试资料，采用MEMS扬声器将会减少约5%的电池寿命。

由此可知，一个系统要导入真正的MEMS扬声器并不会是个无缝转换的过程，它需要思考整体系统的电路配置，以及声学与人因工程等因素，才能真正发挥出MEMS扬声器的特色与优势。

Joseph也透露，早期客户还不了解MEMS扬声器的时候，大部分客户的要求都在价格是不是能更便宜。但之前的MEMS扬声器并不是真正的MEMS扬声器，而是以MEMS取代原有的线圈跟磁铁，其他的构造跟传统的扬声器并没有太大的突破。

「MEMS扬声器与传统线圈扬声器发声的方法并不完全相同。过去两年，我们对於我们扬声器的封装设计、前後音舱的需求、频响的控制，都有更深一层的认识与及改进，也能帮助客户对於终端耳机产品的音质设计。」Joseph说明。

图五 : xMEMS目前的MEMS扬声器解决方案，其中Aptos放大器不仅仅只是讯号放大的功能而已，还肩负着音质调教的功能。（拍摄／篮贯铭）

用声音品质一决胜负

撇开电子系统和音舱设计的差异，对品牌商来说，最重要的还是产品本身的竞争力，其中最重要的，就是产品的实际使用体验。换而言之，就是消费者的声音感受，而不得不说，xMEMS的音乐体验还真是不错。

笔者实际聆听了xMEMS几款不同方案的MEMS扬声器耳机，包含最新一代的Montara Plus、搭载Cowell的2分频扬声器模组（2-way modules），以及能运用DSP来切换开放式与密闭式入耳式耳机音场的DynamicVent。

首先，一个非常明显的感受就是「清晰」。整体MEMS扬声器的声音感受就是不拖泥带水，几??所有的声线都是明确可辨的直线，特别是人声或者弦乐器这类以中高音为主的音频，更能体现这个产品的优势所在。

第二个特点，就是定位精准。当在播杜比音效 (Dolby Audio)时，MEMS扬声器也展现了极隹的空间定位特性，这种快速的声音流转，似??恰恰好迎合了矽薄膜材料的发声特性，因此游刃有馀的完美诠释。

有趣的是，英文会用「Crystal clear」来形容一个事物非常的明确清楚。而水晶的主要成分就是「矽」，而用矽做成的扬声器的声音却也是如此的明亮清晰！

「最好的发声材料要质轻、坚硬、速度快。而矽刚好具备了这些特点」Joseph说道。

就材料硬度，矽比塑胶硬95倍，比铝硬2.3倍，也比??硬1.3倍；在材料速度上，它比塑料高3.9倍，也比??和铝高1.8倍。所以矽似??天生就是要做为发声材料的。

当然它也存在一些弱点，例如低音较为不足；成像明确，但音场并不深广。不过整体而言，它的表现已经够令人惊艳。而且现在仍是属於MEMS扬声器的发展早期，仍有很大的空间可以成长和改良。例如他们的2分频扬声器模组，就是整合了传统扬声器和MEMS扬声器，将两者各自的优点在一个耳机上实现，这就是个极好的尝试。

图六 : xMEMS的2分频扬声器模组，是整合了传统扬声器和MEMS扬声器。（拍摄／篮贯铭）

千亿美元音乐市场的变革

很显然的，xMEMS相当清楚自己产品的特色，因此早早就把主攻的市场锁定在「高解析（Hi-Res）」和「空间音效（Spatial Audio）」两大应用上。也就是强调MEMS扬声器的高音质特色，以及精准的音讯定位，而这两项正是当代主流的高阶耳机的重要性能。因此，MEMS扬声器将有很大的机会，可以在这个领域大杀四方。

那这个市场有多大？根据市调公司canalys的统计，2022年全球的真无线蓝牙耳机（True Wireless Stereo，TWS）的出货量为2.87亿套，其中苹果占了31%。整体的市场规模已有百亿美元以上。而是分析机构Grand View Research也认为，随着3.5mm??孔的逐渐取消，至2030年时，全球TWS立体声耳机市场规模将达到5632亿美元。而这仅仅只是TWS的市场而已。

事实上，除了TWS外，MEMS扬声器也适用於助听器，尤其是不须处方签(OTC)的助听器。再者，还有AR/VR等头戴式的沉浸式影音装置，以及高阶的监听式耳机，这都将是MEMS扬声器的擅场。

「2021年底，我们第一次公开的对外展示我们的产品，当客户对我们的音质感到惊艳时，我们确认了我们全矽微机电扬声器的方向！」

「2022年的CES，从第一天的乏人问津，到最後一天我们的展示房人潮的水泄不通，我们更得到专业级耳机业者的认可。」Joseph回顾他们发表产品之後的市场转折。

也由於MEMS扬声器优异的声音品质，目前已经吸引了多家国际耳机大厂的青睐，且正与xMEMS展开合作，将会把MEMS扬声器导入他们的高阶耳机产品之中，甚至还有业者正在开发MEMS扬声器专用的扩大机，以呈现更顶尖的音乐表现。

另外，数位来自音乐产业的专家与部落客等（包含葛莱美奖母带工程师Brian Lucey在内），都认为xMEMS的MEMS扬声器将是未来的主流，甚至是产业的破坏性创新。

图七 : 耳机大厂还推出了MEMS扬声器专用的耳机扩大机。（source: iFi audio）

结语：朝向无限可能

改变正在发生，而我们有可能正站在这个变革的起点上，至於它的范围有多大，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，它实现了更隹的整体效能，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也正持续拓展他们展品的应用范围，要让MEMS扬声器全面进入现代人的生活之中，Joseph也透露，目前的成果（耳机）仅仅只是他们的第一步而已，距离他们真正的愿景仍有一大段路，包含要取代电视上的扬声器等。而其中一个令人兴奋的发展方向，就是要取代喇叭（loudspeaker），也就是桌上型的音箱。而根据他们的说法，他们已经有了相关的技术与解决方案正在发展中，我们也就拭目以待。

而最大的一个愿景，则是要进入智慧型手机，要彻底的突破目前手机扬声器上的声音效果，为行动音乐带来颠覆性的变化。包含汽车、影视空间等，都在他们的雷达之中。

不过xMEMS也不只是要做「听」的应用，还将探索更多元的MEMS应用领域。Joseph说，知微就是「见微知着」，而xMEMS的「x」代表要做的不只是声音。