1. 引言
MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域（來源：Yole）隨著消費(fèi)電
子產(chǎn)品的快速發(fā)展，全球音頻市場在過去十年中呈現(xiàn)尺寸越來越小、功耗更低、性能更好的趨勢。揚(yáng)聲器作為筆記本電腦、智能手機(jī)、耳機(jī)等移動電子設(shè)備的核心組件之一，對更小、更輕、更節(jié)能的要求很高。目前，這些移動電子設(shè)備中的揚(yáng)聲器以帶有笨重的傳統(tǒng)動圈揚(yáng)聲器為主，由于音圈和永磁體必須組裝，因此批量制造仍然具有挑戰(zhàn)性，這些傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的小型化也對音質(zhì)產(chǎn)生了負(fù)面影響，并且由于采用的材料和制造方法而達(dá)到了一些限制 。例如，傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的塑料或聚合物振膜太軟，無法用作高質(zhì)量的散熱器表面 。在小型化過程中，機(jī)械懸架和電磁部件的簡化會導(dǎo)致帶寬減小和非線性增加，從而降低音質(zhì)。傳統(tǒng)的制造技術(shù)也難以在揚(yáng)聲器的小型化中實(shí)現(xiàn)高尺寸精度和良好的再現(xiàn)性。
MEMS主要產(chǎn)品類型（來源：MEMS）
相比之下，微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS）微型揚(yáng)聲器因其固有的優(yōu)勢而越來越受到關(guān)注，例如小尺寸、低功耗、批量制造以及與電子電路的潛在芯片上集成。許多研究人員基于各種換能機(jī)制開發(fā)了MEMS揚(yáng)聲器，并取得了可喜的成果，包括電動、靜電、壓電和熱聲MEMS揚(yáng)聲器，人們還探索了各種材料和制造方法來開發(fā) MEMS 揚(yáng)聲器。MEMS揚(yáng)聲器的性能已經(jīng)從幾個關(guān)鍵規(guī)格方面進(jìn)行了評估和比較，如器件尺寸、輸出聲壓級（SPL）、功耗、帶寬和總諧波失真（THD）。其中，SPL 和帶寬是評估 MEMS 揚(yáng)聲器聲學(xué)性能的兩個廣泛使用的參數(shù)。THD 也是評估 MEMS 揚(yáng)聲器聲品質(zhì)的重要參數(shù) 。
不同類型的MEMS揚(yáng)聲器
在微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 技術(shù)的推動下，MEMS 微型揚(yáng)聲器在過去十年中得到了迅速發(fā)展，以滿足蓬勃發(fā)展的音頻市場的需求。MEMS 揚(yáng)聲器具有占用空間小、成本低、易于組裝等優(yōu)點(diǎn)，在TWS耳機(jī)、OTC助聽器、和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 方面的潛在應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。其中，壓電MEMS揚(yáng)聲器較早實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。硅基MEMS器件是基于微小硅結(jié)構(gòu)機(jī)械形變所帶來的電容或電阻變化。壓電MEMS器件則依賴壓電效應(yīng)，即由機(jī)械形變產(chǎn)生微小電荷，或者反過來，由施加的小電荷產(chǎn)生機(jī)械形變。作為微型執(zhí)行器，壓電MEMS器件能比硅基深硅蝕刻MEMS執(zhí)行器提供更大的作用力。
壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)
壓電MEMS執(zhí)行器（揚(yáng)聲器）和MEMS傳感器（麥克風(fēng)）示例
當(dāng)前，MEMS 技術(shù)再次成為微型揚(yáng)聲器行業(yè)的熱門話題。最近一段時間，MEMS揚(yáng)聲器技術(shù)在耳機(jī)（TWS, IEM）和OTC助聽器市場已經(jīng)取得了可喜可賀的進(jìn)展，未來也可能會在XR眼鏡和智能手機(jī)市場取得進(jìn)展。
2. MEMS揚(yáng)聲器開啟商業(yè)化征程
一項(xiàng)新技術(shù)想要替代沉淀了一個世紀(jì)的經(jīng)典動圈技術(shù)談何容易！雖然和動圈方案相比，MEMS揚(yáng)聲器在尺寸和重量方面擁有先天的優(yōu)勢，在帶寬和時延等音質(zhì)參數(shù)上也展示出了更優(yōu)越的性能，如果希望僅靠這些特性就可以快速占領(lǐng)市場還為時尚早；MEMS揚(yáng)聲器還有兩座大山亟待翻越：制造成本和功耗。制造成本概念很好理解，由于現(xiàn)有的MEMS揚(yáng)聲器方案采用了代工廠新導(dǎo)入甚至不具備的工藝路線，其成本較傳統(tǒng)動圈高出一大截；要比較揚(yáng)聲器功耗的大小，就要引入靈敏度這一關(guān)鍵參數(shù)。一款微型揚(yáng)聲器的靈敏度等于其每消耗1 mW的電能所產(chǎn)生的聲壓大小。直觀理解為靈敏度越高代表在相同的耗電下產(chǎn)生的音量越大，然而更具有實(shí)際意義的理解是，靈敏度越高代表在產(chǎn)生相同的音量大小下耗電更少，即功耗越低。隨著消費(fèi)級可穿戴設(shè)備（如TWS耳機(jī)、助聽/輔聽耳機(jī)）集成越來越多的功能，其對各組成單元的功耗要求也水漲船高，是否高靈敏度、是否足夠便宜決定了MEMS揚(yáng)聲器在海量市場中的適用范圍、競爭力、甚至存在必要性。
圖片MEMS揚(yáng)聲器的市場驅(qū)動因素（來源：MEMS）道阻且長，
型MEMS產(chǎn)品的開發(fā)周期一般較長。盡管研發(fā)時間會慢慢縮短，成本降低和大規(guī)模量產(chǎn)的障礙仍然存在。硅基MEMS制造工藝日臻成熟的同時，新材料（例如壓電材料、磁性材料）和新工藝（例如AlN或PZT壓電薄膜沉積、異質(zhì)集成技術(shù)）的開發(fā)“連綿不絕”，以期望為MEMS產(chǎn)業(yè)開拓新的產(chǎn)品和應(yīng)用疆界！例如，通過磁控濺射方法制備AlN或AlScN薄膜，以實(shí)現(xiàn)壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）、壓電式MEMS麥克風(fēng)的構(gòu)建；通過智能剝離（Smart Cut™）技術(shù)制備絕緣體上壓電薄膜（POI）晶圓，包括絕緣體上鈮酸鋰薄膜（LNOI）晶圓、絕緣體上鉭酸鋰（LTOI）晶圓等，可用于聲表面波（SAW）陀螺儀、電光調(diào)制器、微環(huán)諧振器的制造。如今的MEMS企業(yè)已經(jīng)能依靠堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，盡管成本降低和量產(chǎn)爬坡仍是難點(diǎn)，但是器件商業(yè)化時間和成本降低時間已經(jīng)大為縮短：上世紀(jì)60年代的壓力傳感器商業(yè)化時間為15年，成本降低時間為15年；而現(xiàn)在的MEMS揚(yáng)聲器商業(yè)化時間僅為5年，成本降低時間也只需4年。越來越多的MEMS器件踏上商業(yè)化之路，并孕育巨大的市場機(jī)遇。
典型MEMS器件商業(yè)化所需時間：從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)（來源：Yole）
據(jù)知名咨詢企業(yè)Yole預(yù)測，MEMS揚(yáng)聲器是僅次于MEMS時鐘的未來最具有發(fā)展?jié)摿Φ腗EMS器件，據(jù)其《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀2022》報告顯示，2021-2027 MEMS揚(yáng)聲器的年復(fù)合增長率（CAGR）將超過100%。Yole認(rèn)為TWS無線耳機(jī)設(shè)備將是MEMS揚(yáng)聲器的主要突破點(diǎn)，其次是智能手機(jī)、汽車等應(yīng)用。
xMEMS、USound、AAC、立訊精密、OBO和盛佳麗等積極推出MEMS高音+動圈低音的雙單元模組，縮短品牌廠商的評估時間，加快MEMS揚(yáng)聲器在TWS耳機(jī)中的商業(yè)化落地。MEMS高音揚(yáng)聲器能夠在高頻下實(shí)現(xiàn)理想的性能，并擴(kuò)展至40kHz乃至80kHz的高分辨率音頻，使TWS耳機(jī)擁有最準(zhǔn)確的時域音樂再現(xiàn)、無與倫比的聲音清晰度和提升的空間感。
搭載MEMS高音的雙單元模組
隨著MEMS揚(yáng)聲器方案開始在 Creative 、Noble和 Soundpeats 等廠商進(jìn)入量產(chǎn)， MEMS 又增添了新的應(yīng)用方向。而 MEMS 揚(yáng)聲器也正在成為一種可選的音頻解決方案，以滿足現(xiàn)代音頻設(shè)備日益增長的更小、更輕和更節(jié)能的需求。目前，MEMS揚(yáng)聲器已在TWS耳機(jī)、IEM耳機(jī)、OTC助聽器、音頻眼鏡和核磁共振成像耳機(jī)等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)商用。
TWS耳機(jī)產(chǎn)品采用MEMS揚(yáng)聲器技術(shù)的品牌廠商有Creative創(chuàng)新科技、Noble Audio諾岱、SoundPeats泥炭、NUARL等。
搭載MEMS揚(yáng)聲器的TWS耳機(jī)
耳放廠商iFi積極推出支持xMEMS揚(yáng)聲器模式的便攜放大器產(chǎn)品，
型號有iDSD Diablo-X、iDSD Diablo 2和ZEN CAN 3，為入耳式監(jiān)聽耳機(jī)（IEM，In-Ear Monitors）采用MEMS揚(yáng)聲器方案推波助瀾。
支持xMEMS揚(yáng)聲器模式的iFi耳放
目前，入耳式監(jiān)聽耳機(jī)IEM 采用MEMS揚(yáng)聲器方案的品牌廠商有Singularity、Noble Audio諾岱、Soranik、Hiby海貝音樂、Moondrop水月雨和Brise Audio等。
搭載MEMS揚(yáng)聲器的IEM耳機(jī)
OTC助聽器采用MEMS揚(yáng)聲器方案的品牌廠商有Minitakara耳寶和Linner。
搭載MEMS揚(yáng)聲器的OTC助聽器
印度AR公司Focally在研發(fā)的Universe AR眼鏡原型中加入MEMS高音揚(yáng)聲器和電動低音揚(yáng)聲器以實(shí)現(xiàn)空間音頻效果。同時，F(xiàn)auna音頻眼鏡憑借MEMS揚(yáng)聲器提供自然、沉浸式的聲音體驗(yàn)。
搭載MEMS揚(yáng)聲器的眼鏡
MEMS揚(yáng)聲器沒有磁鐵和線圈，免受電磁干擾，使耳機(jī)能夠保護(hù)患者免受大音量噪音的影響，并使患者在核磁共振成像機(jī)器內(nèi)感到放松。Nordic Neuro Labs，SMRT Image等廠商已經(jīng)成功把MEMS揚(yáng)聲器應(yīng)用到核磁共振成像耳機(jī)。
搭載MEMS揚(yáng)聲器的核磁共振成像耳機(jī)
3. MEMS 揚(yáng)聲器市場概況和趨勢
根據(jù)The Business Research Company 的市場概況和增長預(yù)測
當(dāng)前市場規(guī)模：2023 年，MEMS 揚(yáng)聲器市場價值 48.2 億美元。
短期預(yù)測：到 2024 年，市場規(guī)模預(yù)計(jì)將增長到 52.4 億美元，復(fù)合年增長率 （CAGR） 為 8.7%。
長期展望：預(yù)計(jì)到 2028 年，市場規(guī)模將達(dá)到 73.6 億美元，復(fù)合年增長率為 8.9%。
全球MEMS揚(yáng)聲器市場（來源：The Business Research Company）
根據(jù)Market Research Future預(yù)測，2022 年 MEMS 揚(yáng)聲器市場行業(yè)規(guī)模為 25 億美元。MEMS 揚(yáng)聲器市場預(yù)計(jì)將從 2023 年的 29 億美元增長到 2032 年的 98 億美元，在預(yù)測期間（2024 - 2032 年）的復(fù)合年增長率 （CAGR） 為 14.6%。消費(fèi)電子產(chǎn)品對緊湊和高能效音頻解決方案的需求不斷增長，以及 MEMS 技術(shù)因其能夠提供更好的音質(zhì)和設(shè)計(jì)靈活性而越來越多地采用，是推動市場增長的主要市場驅(qū)動力。
MEMS揚(yáng)聲器市場（來源：MEMS Speakers Market Research Report）
全球 MEMS 揚(yáng)聲器市場有望實(shí)現(xiàn)大幅增長，這得益于消費(fèi)類電子產(chǎn)品. 這些微型揚(yáng)聲器利用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)，具有體積小、音質(zhì)好等優(yōu)勢，非常適合可穿戴設(shè)備以及助聽器。此外，語音設(shè)備需求的不斷增長以及MEMS揚(yáng)聲器在AR/VR應(yīng)用中的集成預(yù)計(jì)將進(jìn)一步推動市場擴(kuò)張。
根據(jù)Data Bridge Market Research 分析，全球 MEMS 揚(yáng)聲器市場在 2023 年的規(guī)模為 76.2 億美元，預(yù)計(jì)到 2031 年將達(dá)到 116.9 億美元，預(yù)計(jì)在 2024 年至 2031 年的預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為 5.5%。
全球 MEMs 揚(yáng)聲器市場 – 行業(yè)趨勢和 2031 年預(yù)測（來源Data bridge）
根據(jù)Verified Market Reports，MEMS 揚(yáng)聲器市場規(guī)模在 2023 年價值 30 億美元，預(yù)計(jì)到 2030 年底將達(dá)到 99 億美元，在 2024-2030 年的預(yù)測期內(nèi)復(fù)合年增長率為 14.5%。
MEMS 揚(yáng)聲器的市場復(fù)合年增長率受到各種消費(fèi)電子產(chǎn)品對緊湊和高能效音頻解決方案不斷增長的需求的推動。隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和緊湊型智能揚(yáng)聲器等小型化、更便攜設(shè)備的趨勢不斷增長，對能夠提供高質(zhì)量聲音同時適應(yīng)受限空間的音頻組件的需求越來越大。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）揚(yáng)聲器通過提供緊湊的外形尺寸而不影響音頻性能來滿足這一需求。帶有電磁線圈和振膜的傳統(tǒng)揚(yáng)聲器可能很笨重，限制了它們與纖薄便攜設(shè)備的集成。另一方面，MEMS 揚(yáng)聲器利用微納加工技術(shù)來創(chuàng)建可以有效產(chǎn)生聲音的微型結(jié)構(gòu)。這種小型化不僅允許無縫集成到更小的設(shè)備中，還有助于提高能源效率，這是延長便攜式電子產(chǎn)品電池壽命的關(guān)鍵因素。
MEMS 技術(shù)本身的日益普及是 MEMS 揚(yáng)聲器市場的重要驅(qū)動力。MEMS 涉及將機(jī)械元件、傳感器、執(zhí)行器和電子元件集成在單個芯片上，從而能夠創(chuàng)建高度緊湊的多功能設(shè)備。在揚(yáng)聲器環(huán)境中，MEMS 傳感器取代了傳統(tǒng)元件，具有尺寸更小、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)。
對增強(qiáng)音質(zhì)和設(shè)計(jì)靈活性的追求是 MEMS 揚(yáng)聲器市場背后的驅(qū)動力。消費(fèi)者越來越期望在各種設(shè)備上獲得高保真音頻體驗(yàn)，而 MEMS 揚(yáng)聲器正好滿足了這一要求。MEMS 獨(dú)特的設(shè)計(jì)和制造工藝能夠精確控制機(jī)械元件，從而提高聲音再現(xiàn)和清晰度。此外，MEMS 揚(yáng)聲器提供的設(shè)計(jì)靈活性超越了傳統(tǒng)揚(yáng)聲器元件的限制。這種靈活性使制造商能夠探索新的音頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而在美學(xué)和功能方面塑造市場。無論是將揚(yáng)聲器集成到設(shè)備內(nèi)的非常規(guī)空間，還是探索創(chuàng)新的外形尺寸，MEMS 技術(shù)都提供了滿足不斷變化的消費(fèi)者期望所需的創(chuàng)作自由。
4. MEMS揚(yáng)聲器未來可期
智能手機(jī)、平板電腦、智能手表和TWS耳塞等設(shè)備對MEMS傳感器的需求持續(xù)增長，推動了這一領(lǐng)域的擴(kuò)張。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新應(yīng)用的出現(xiàn)，預(yù)計(jì)消費(fèi)電子市場將繼續(xù)保持對MEMS設(shè)備的高需求。
可穿戴設(shè)備的三次浪潮（來源：Yole）
MEMS揚(yáng)聲器可以通過全自動化生產(chǎn)線制造，其尺寸較小，占用系統(tǒng) PCB 板的空間更少，從而有利于系統(tǒng)集成商添加更多傳感器以實(shí)現(xiàn)更多功能，或者采用更大容量的電池以提升系統(tǒng)的運(yùn)行時間。傳統(tǒng)揚(yáng)聲器在電視、傳統(tǒng)音箱、智能音箱、手機(jī)、TWS耳機(jī)、傳統(tǒng)耳機(jī)等多個大規(guī)模市場都有應(yīng)用，而MEMS揚(yáng)聲器未來有望挑戰(zhàn)傳統(tǒng)揚(yáng)聲器市場。隨著傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器達(dá)到技術(shù)極限，MEMS揚(yáng)聲器正成為新興的產(chǎn)品差異化路線。
Yole預(yù)計(jì)2028年左右，MEMS揚(yáng)聲器在XR眼鏡中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用（來源：Yole）
MEMS揚(yáng)聲器充當(dāng)機(jī)器人的嘴巴（來源：Yole）
隨著技術(shù)的迭代發(fā)展，MEMS揚(yáng)聲器在TWS耳機(jī)中的市場份額進(jìn)一步擴(kuò)大，未來有望在OWS耳機(jī)、智能手表、XR眼鏡、人形機(jī)器人等其它電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。技術(shù)加速更新，各大廠商競逐MEMS揚(yáng)聲器領(lǐng)域，采用MEMS揚(yáng)聲器方案的品牌客戶越來越多，MEMS揚(yáng)聲器的商業(yè)化正如火如荼地進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)：
Review of Recent Development of MEMS Speakers，Micromachines 2021, 12(10), 1257
海通證券-半導(dǎo)體產(chǎn)品與半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)跟蹤報告: 關(guān)注 MEMS 揚(yáng)聲器應(yīng)用落地
《Status of the MEMS Industry 2023》，Yole
MEMS Speakers Market Research Report Information By Type (Headset, Deaf-Aid, and Others), By Application (Piezoelectric, Electric, and Thermoacoustic), And By Region (North America, Europe, Asia-Pacific, And Rest Of The World) –Industry Forecast Till 2032
解決成本和功耗兩大難題，MEMS揚(yáng)聲器量產(chǎn)按下加速鍵， MEMS
第66期“見微知著”培訓(xùn)課程：MEMS制造工藝-電子工程專輯 (eet-china.com)，MEMS
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