圖一 : MEMS揚聲器最大的特色就是它使用微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems）技術來發出聲波。圖為xMEMS的MEMS揚聲器耳機。（拍攝／籃貫銘）

聲音的原理，是物質受力後產生震動，再透過介質把震動所形成的能量波傳遞出去，而這個量波再被人耳（或任何物種）所接收、識別的一整個過程。在這個基礎上，人類發明了揚聲器（Speaker）。

揚聲器誕生於18世紀，到20世紀發展臻至成熟。目前主流的揚聲器形式幾乎皆採用永久磁鐵、線圈與錐形盆的結構來產生聲波，他們透過高速的電與磁的交互作用來發出不同頻率的聲波，是非常可靠且高質量的發聲裝置（或元件）。

在過去，這樣的發聲裝置並沒有什麼特別需要挑剔之處，儘管它存在著一些顯而易見的缺陷，例如結構脆弱、不易微小化，也不容易全自動化的量產（像線圈的繞線與組裝都相當仰賴人工）。但隨著行動（Mobile）與整合（Integration）的趨勢不斷的發展，傳統揚聲器的機構就成了一個難以克服的瓶頸。

但，現在有了第二個選擇－MEMS揚聲器。

什麼是MEMS揚聲器？

不同於傳統的架構，MEMS揚聲器最大的特色就是它使用微機電系統（Micro Electro Mechanical Systems）技術來發出聲波。它沒有線圈，也不用磁鐵，因此它的結構相對簡單。更大的不同點，是它可以在半導體製程中實現，意味著它完全可以自動化量產。

那它究竟怎麼發出聲音？

顧名思義，MEMS揚聲器的聲音是透過MEMS技術來形成，但真正的難題在於如何「主動」產生震動，而且薄膜材料還要具備足夠的硬度和彈性，可以發出清晰可辨且高質量的聲波。

而這個問題，被一家美國新創公司xMEMS（知微電子）給突破了。

xMEMS是全球首家量產MEMS揚聲器單晶片的業者，雖然是一家美商，但它的主要成員與生產製造都和台灣有密切相關。執行長暨共同創辦人姜正耀（Joseph Jiang）也來自台灣，交大電子工程系畢業後，他便赴美發展，且一路都從事與MEMS技術相關的工作，包含InvenSense、富迪科技與樓氏電子（Knowles ）。

圖二 : xMEMS使用了一種只要施加電壓就能產生形變（震動）的技術，讓矽薄膜可以快速、精準地發出相應的音頻。（source:xMEMS；CTIMES製圖）

為了讓MEMS的矽薄膜可以產生震動，xMEMS使用了一種專利的壓電（Piezo MEMS）技術。這種壓電技術是一種使用壓電效應來產生震動的方法。而壓電效應是機械能與電能相互轉換的原理，它分成「正」與「逆」兩種壓電效應，xMEMS所採取的則是逆壓電效應。

簡單的說，xMEMS使用了一種只要施加電壓就能產生形變（震動）的技術，並開發出專屬的致動器（Piezo Actuator）和放大器（Aptos），讓矽薄膜可以快速、精準地發出相應的音頻，於是MEMS揚聲器，不，更正確的說法是「MEMS揚聲器單晶片」就此誕生了。

關於xMEMS的成立

至於如何想到要發展MEMS揚聲器？又為何使用壓電技術？Joseph在接受CTIMES專訪時，談到了他研發MEMS揚聲器的起心動念，以及當初成立xMEMS的過程。

「2017年，我在Knowles 擔任市場部副總，當時Knowles已是全球最大的MEMS麥克風廠商。那個時候我就在思考這個事（MEMS揚聲器），離開以後我就著手研究怎麼把它做出來。」Joseph回朔當時成立的經過。

在創立xMEMS之前，時任職於樓氏電子的Joseph，見證了MEMS麥克風的崛起。在當時，MEMS麥克風幾乎可說是以席捲之姿，在很短的時間內就取代了大部分的ECM麥克風市場。而這也激起了他發展MEMS揚聲器的念頭。

「既然MEMS麥克風可以，為什麼MEMS Speaker不行！」Joseph提了一個理所當然，但卻無人可竟的問題。當時市場上沒有MEMS揚聲器的原因其實相當的直白，就是它太難了，還沒有一個理想的解決方案能將之實現。

所以離開樓氏之後，Joseph便找了大學同學和以前的同事，在2018年成立了xMEMS，開始著手MEMS揚聲器的研發工作。

圖三 : xMEMS執行長暨共同創辦人姜正耀（Joseph Jiang）來自台灣，一路都從事與MEMS技術相關的工作。（source:xMEMS）

從原理上來看，製作MEMS麥克風是相對容易的，因為它是偵測聲波在矽薄膜上的震動所產生的電容訊號差，並將之轉換為數位的音訊訊號，所以只需要很小的訊號量就可以進行轉換。但揚聲器不是，它需要把訊號放大，並一路傳遞到人耳內。

護國神山助了一臂之力

正苦於如何突破「發聲」困境的xMEMS，因緣際會的得知了台積電有一種壓電材料，正可滿足他們的應用需求。於是他們就向台積電提出了合作的提案，順利取得了關鍵的材料，並在美國的實驗室成功開發出了MEMS揚聲器。

當他們把研發成果向台積電展示之後，隨即說服了這家全球最大、世界最頂尖的晶片代工廠成為它的夥伴，並願意為他們代工生產MEMS揚聲器。

「台積電絕對不會隨便幫一家新創公司代工晶片，他們有很高的審查標準。」Joseph說道。

這雖不能說是背書，但台積電的決定幾乎就是一個十分有力的證據。他們在看過、聽過xMEMS的產品之後，就洞悉了這個產品的市場潛力，它的的確確有可能複製當年MEMS麥克風的發展脈絡，一舉顛覆揚聲器的市場。

而在台積電的大力支持下，xMEMS的產品良率皆達到相當不錯的目標（一般產品都可高於八成），同時台積也將會給予產能上的支援。

圖四 : 台積電為xMEMS的MEMS揚聲器代工。圖為其8吋製程晶圓。（拍攝／籃貫銘）

為什麼是MEMS揚聲器？

從商業觀點看一個產品的好與壞，至少要從兩個面向來判定，一個是產品的生產條件，另一個則是產品的使用體驗。假若產品的生產條件卓越，但體驗很差，那肯定不能算是好產品；反之，若體驗很好，但生產條件不佳，也很難取得成功。而MEMS揚聲器則在這兩個面向都取得了極佳的位置。

就生產條件來說，MEMS揚聲器是半導體製造流程中實現，可完全的自動化生產，因此品質、產能和產量都可以精準的控制。甚至後段的測試，xMEMS也設計了可擴展的全自動測試機台，以確保每一個MEMS揚聲器都具備相同的發聲品質。（傳統動圈式揚聲器的音量誤差可達數dB）

另一方面，MEMS揚聲器是所謂固態（Solid-state）的產品，沒有可動的部件，一顆晶片就是一個揚聲器，因此非常便於進行電子系統的設計規劃。再者，就是它具備很好的環境抗力，產品本身具有抗震、防塵與耐高溫的特性，尤其是抗震的特性，它能承受1萬g的力量，幾乎是沒有摔壞的可能，非常適合可攜式裝置應用。

小體積則是它的另一個強項。相較於目前最小的動圈揚聲器，則MEMS揚聲器的重量只有六分之一，體積小了40%，而且厚度只有1mm，幾乎可以放在任何的裝置之中。唯一的問題，可能是它真的太小了，要實現最佳的音質體驗，裝置的設計就需要一番思量。

然後它使用矽做為主材料，也就自然沒有特殊金屬材料（如釹和鈷）的需求，供應鏈管理相對輕鬆不少。

MEMS揚聲器的電路設計

就控制的觀點來看，MEMS揚聲器的本質就是一個數位電子系統，因為它是使用半導體技術來驅動的，所以它勢必有幾個基本的電子元件來運行，包含ADC、DSP和放大器（amplifier）等。其中最關鍵的，則是放大器。

「MEMS揚聲器對ADC或者DSP並沒有特殊的需求，但是放大器則需要特別設計。」針對電子系統，Joseph特別進行了說明。

他表示，在目前的手持裝置與穿戴系統中，xMEMS的放大器不僅僅提供信號源給揚聲器，更針對揚聲器的特性提供音質補償以及保護，具備智能化的功能。 但現在市場上主流的放大器都是針對傳統的線圈揚聲器所設計的，並無法相容共用。

「我們很早就發現市面上原有的放大器對xMEMS壓電揚聲器並不完全適用，也因此我們很早就開始設計自己的放大器－Aptos。」Joseph說道．

所以Aptos不僅僅只是作為訊號放大的功能而已，它還肩負著音質調教的功能，並與xMEMS壓電揚聲器產生最佳的音質，另也整合系統上的其他元件，實現最簡潔的設計，進而降低系統整體的材料成本（BOM）。

不過由於壓電材料需要專用的放大器，這也使得MEMS揚聲器需要多一些些的電耗。而根據xMEMS的實際測試資料，採用MEMS揚聲器將會減少約5%的電池壽命。

由此可知，一個系統要導入真正的MEMS揚聲器並不會是個無縫轉換的過程，它需要思考整體系統的電路配置，以及聲學與人因工程等因素，才能真正發揮出MEMS揚聲器的特色與優勢。

Joseph也透露，早期客戶還不了解MEMS揚聲器的時候，大部分客戶的要求都在價格是不是能更便宜。但之前的MEMS揚聲器並不是真正的MEMS揚聲器，而是以MEMS取代原有的線圈跟磁鐵，其他的構造跟傳統的揚聲器並沒有太大的突破。

「MEMS揚聲器與傳統線圈揚聲器發聲的方法並不完全相同。過去兩年，我們對於我們揚聲器的封裝設計、前後音艙的需求、頻響的控制，都有更深一層的認識與及改進，也能幫助客戶對於終端耳機產品的音質設計。」Joseph說明。

圖五 : xMEMS目前的MEMS揚聲器解決方案，其中Aptos放大器不僅僅只是訊號放大的功能而已，還肩負著音質調教的功能。（拍攝／籃貫銘）

用聲音品質一決勝負

撇開電子系統和音艙設計的差異，對品牌商來說，最重要的還是產品本身的競爭力，其中最重要的，就是產品的實際使用體驗。換而言之，就是消費者的聲音感受，而不得不說，xMEMS的音樂體驗還真是不錯。

筆者實際聆聽了xMEMS幾款不同方案的MEMS揚聲器耳機，包含最新一代的Montara Plus、搭載Cowell的2分頻揚聲器模組（2-way modules），以及能運用DSP來切換開放式與密閉式入耳式耳機音場的DynamicVent。

首先，一個非常明顯的感受就是「清晰」。整體MEMS揚聲器的聲音感受就是不拖泥帶水，幾乎所有的聲線都是明確可辨的直線，特別是人聲或者弦樂器這類以中高音為主的音頻，更能體現這個產品的優勢所在。

第二個特點，就是定位精準。當在播杜比音效 (Dolby Audio)時，MEMS揚聲器也展現了極佳的空間定位特性，這種快速的聲音流轉，似乎恰恰好迎合了矽薄膜材料的發聲特性，因此游刃有餘的完美詮釋。

有趣的是，英文會用「Crystal clear」來形容一個事物非常的明確清楚。而水晶的主要成分就是「矽」，而用矽做成的揚聲器的聲音，卻也是如此的明亮清晰！

「最好的發聲材料要質輕、堅硬、速度快。而矽剛好具備了這些特點」Joseph說道。

就材料硬度，矽比塑膠硬95倍，比鋁硬2.3倍，也比鈦硬1.3倍；在材料速度上，它比塑料高3.9倍，也比鈦和鋁高1.8倍。所以矽似乎天生就是要做為發聲材料的。

當然它也存在一些弱點，例如低音較為不足；成像明確，但音場並不深廣。不過整體而言，它的表現已經夠令人驚豔。而且現在仍是屬於MEMS揚聲器的發展早期，仍有很大的空間可以成長和改良。例如他們的2分頻揚聲器模組，就是整合了傳統揚聲器和MEMS揚聲器，將兩者各自的優點在一個耳機上實現，這就是個極好的嘗試。

圖六 : xMEMS的2分頻揚聲器模組，是整合了傳統揚聲器和MEMS揚聲器。（拍攝／籃貫銘）

千億美元音樂市場的變革

很顯然的，xMEMS相當清楚自己產品的特色，因此早早就把主攻的市場鎖定在「高解析（Hi-Res）」和「空間音效（Spatial Audio）」兩大應用上。也就是強調MEMS揚聲器的高音質特色，以及精準的音訊定位，而這兩項正是當代主流的高階耳機的重要性能。因此，MEMS揚聲器將有很大的機會，可以在這個領域大殺四方。

那這個市場有多大？根據市調公司canalys的統計，2022年全球的真無線藍牙耳機（True Wireless Stereo，TWS）的出貨量為2.87億套，其中蘋果占了31%。整體的市場規模已有百億美元以上。而是分析機構Grand View Research也認為，隨著3.5mm插孔的逐漸取消，至2030年時，全球TWS立體聲耳機市場規模將達到5632億美元。而這僅僅只是TWS的市場而已。

事實上，除了TWS外，MEMS揚聲器也適用於助聽器，尤其是不須處方籤(OTC)的助聽器。再者，還有AR/VR等頭戴式的沉浸式影音裝置，以及高階的監聽式耳機，這都將是MEMS揚聲器的擅場。

「2021年底，我們第一次公開的對外展示我們的產品，當客戶對我們的音質感到驚艷時，我們確認了我們全矽微機電揚聲器的方向！」

「2022年的CES，從第一天的乏人問津，到最後一天我們的展示房人潮的水泄不通，我們更得到專業級耳機業者的認可。」Joseph回顧他們發表產品之後的市場轉折。

也由於MEMS揚聲器優異的聲音品質，目前已經吸引了多家國際耳機大廠的青睞，且正與xMEMS展開合作，將會把MEMS揚聲器導入他們的高階耳機產品之中，甚至還有業者開發了特別支援MEMS揚聲器的耳機擴大機，以呈現更頂尖的音樂表現。

另外，數位來自音樂產業的專家與部落客等（包含葛萊美獎母帶工程師Brian Lucey在內），都認為xMEMS的MEMS揚聲器將是未來的主流，甚至是產業的破壞性創新。

圖七 : 耳機大廠還推出了MEMS揚聲器專用的耳機擴大機。（source: iFi audio）

結語：朝向無限可能

改變正在發生，而我們有可能正站在這個變革的起點上，至於它的範圍有多大，影響有多深，我們目前仍不得而知。但至少有件事情可以肯定，MEMS揚聲器的誕生與普及，的的確確為電子系統設計帶來了正面的助益，它實現了更佳的整體效能，也讓聲音應用有了更多的可能性。而光這兩點，我們就可以預期它將會在聲音元件中佔有關鍵的一席。

此外，xMEMS也正持續拓展他們展品的應用範圍，要讓MEMS揚聲器全面進入現代人的生活之中，Joseph也透露，目前的成果（耳機）僅僅只是他們的第一步而已，距離他們真正的願景仍有一大段路，包含要取代電視上的揚聲器等。而其中一個令人興奮的發展方向，就是要取代喇叭（loudspeaker），也就是桌上型的音箱。而根據他們的說法，他們已經有了相關的技術與解決方案正在發展中，我們也就拭目以待。

而最大的一個願景，則是要進入智慧型手機，要徹底的突破目前手機揚聲器上的聲音效果，為行動音樂帶來顛覆性的變化。包含汽車、影視空間等，都在他們的雷達之中。

不過xMEMS也不只是要做「聽」的應用，還將探索更多元的MEMS應用領域。Joseph說，知微就是「見微知著」，而xMEMS的「x」代表要做的不只是聲音。