产品展示

xMEMS 联合发起人 Joseph Jiang 对话行业媒体探讨全硅 MEMS 扬声器如何重塑音频的未来

2023-10-14 产品展示

  由半导体音频解决方案公司xMEMSLabs举办的一连两场「xMEMSLive – China 2023」音频技术研讨会在中国上海、深圳圆满结束。在研讨会上,xMEMS高管及技术团队进行了主题演讲与技术讲座,并与现场音频行业伙伴进行了面对面交流。

  上海站参会媒体包括天极网、微博大 V 春卷、上海家电网、观潮志、第一财经、证券日报、猎云网及财联社。

  媒体:我留意到,今天的研讨会现场人士有包括来自厂商的代表,也有经销商的代表,那么这次技术研讨会的最大的目的是要推广 xMEMS 的技术,还是要找合作伙伴?

  xMEMS 创立至今,公司很大一部分成长阶段都是在疫情期间,当时人无法来到中国,跟中国大陆厂家也没办法顺畅沟通。

  在今年 4 月的时候,我们才找 Sunny(编注:xMEMS 中国大陆地区商务负责人)来让我们,沟通的渠道才开始建立起来。在 2 月的时候,我们决定举办技术研讨会,因为 xMEMS 跟别的 MEMS 公司不一样,从 MEMS 的制程到耳机的设计一路做了很多新的东西,而我们想让更多人知道这些东西。

  我还记得前几个月我跟一个大陆的代理商在谈的时候,他在行业中,却说还没听过我们公司,可见 xMEMS 虽然在欧美的知名度还不错,但大陆地区对我们的了解并不是很深,也很少有人听过 xMEMS 的产品,尤其是没有了解过一个完整的展示案例。

  本次研讨会其实是让客户对我们有更多了解,但其实也正准备之后看一些其他的合作厂商,看是否有可能是在以后为 xMEMS 做后端生产。

  所以说两个方面的目的都有,既可以对客户做一个完整的产品展示、介绍 xMEMS 的强项,也可以找一些合作厂商。

  另外,也有一些其他的目的,比如和投资人见面、以及前往深圳沟通规范 MEMS Speaker 标准的事等等,所以等于说来一趟在做很多事情。

  媒体:在此前,有报道说 xMEMS 向数十家企业来提供了扬声器的原型产品,且有 30 多家正在进行技术开发。我想提问的是,在合作伙伴还有客户拓展上,xMEMS 目前的成效如何?

  目前,xMEMS 正在协助客户正处于设计阶段的案例大概已有 100 多个,全世界范围内已确定进入 Tier 1 应用阶段的,例如助听器、IEM 入耳式等的则大概在 10 家左右。由于很多厂商、尤其是欧美已经对 xMEMS 知道,xMEMS 已经和很多公司开始合作开发,最快可能会在 2024 Q3 达到量产。

  由于慢慢的变大的客户需求量,最近 xMEMS 还在努力跟一些公司在合作以提高产能。例如,对于单月可测试 50 万颗扬声器的测试机台,我们正在研发第二、第三台这样的机台。并且,xMEMS 也在与台积电密切交流,寻求提升芯片产能。

  预计在今年年底的圣诞季之前,将有 15-17 个采用 xMEMS 的产品上架推出。

  xMEMS 的第一代产品 Montara 在两年前推出,第一代产品体积较大、半导体制造成本比较高,因此客户量的提升相对来说还是比较慢。但在第二代及后续产品性能提升、成本下降后,就能有很快的客户量提升。

  例如,xMEMS 在 Q1 宣布 Cowell 扬声器进入量产,Q2 就宣布两颗模组量产,Q3 宣布 Montara Plus 能开始量产,我们觉得速度是很快的,甚至快于许多大公司。

  媒体:是不是能够认为,伴随着产品的面世,xMEMS 其实已经度过了技术攻坚的阶段,接下来将进入商业化的阶段?

  在去年年终时,xMEMS 仍专注技术方面,例如良率、演示设计等,但在上一季的董事会时,我就已提出,目前产品技术都已准备就绪,能开始进行 Soulution 解决方案的推进。

  目前,xMEMS 已经有好几个解决方案推出,客户能直接用 TWS 方案,也可以对方案中的任何零件进行替换,在 10 月还即将推出 Sleep Buds 睡眠耳机的方案。

  媒体:此前我们提到,xMEMS 产品在制程上和台积电的制程有不一样的地方,xMEMS 如何与台积电进行协作?

  由于 MEMS 实际上使用半导体制造机械结构,因此 MEMS 有「一个产品一个制程」的特性,xMEMS 无法直接采用台积电的「多少 nm」的制程。

  xMEMS 团队,包括制程工程师在产品设计结束后,会去日本镀一层压电,再去斯坦福大学试制晶圆,如果效果符合预期,就会携产品前往台积电讨论协商。

  如果台积电也认为效果出色,那么台积电就会对 xMEMS 设计的具体方案结合已有的制程工艺进行更改优化,是这样子去合作。

  媒体:xMEMS 的产品的其中一个特点是「小」,但是活动中演示的耳机体积还是比较大的。将来 OEM 厂商使用 xMEMS 扬声器时,TWS 耳机能够大大减少多少体积?

  在设计演示案例时,大体积比较易于设计,所以有的演示样机看起来也比较大;但 Sleep Buds 睡眠耳机的案例也说明,其实最终产品的体积可以做的很小,耳机产品的体积主要根据客户的需求。

  产能可以反映销量,目前在产能方面,xMEMS 现在每月可达 50 万颗的产量,到今年年底时,每月可达 100 万颗,明年 Q1 结束时则可达每月 150 万颗的产能。

  我们的每次产能提升都在 50 万颗,因为一台全自动测试机台的测试量就在每月 50 万颗,我们目前正在做第三台机台。

  媒体:xMEMS 和创新科技进行了首次合作,接下来是否有其他合作品牌可以透露?

  在今年年底圣诞季之前,有 5-7 款(采用 xMEMS 技术的)TWS 耳机会推出。

  第 1 代产品是 Montara,第 2 代产品是 Cowell,第 2 代的单位面积可发出声音比第 1 代多出 84%,使得体积小很多,价格这一块也可节省将近一半。

  媒体:目前 xMEMS 产品有侧边发声与顶部发声方案,音质上是不是真的存在差别?还是说仅为结构差异?

  音质没有差别,但频响具有差别。发音方向、封装厚度都会对频响有一些影响,我们采用了许多方法调整频响。

  我们的测试机台采用自己设计的测试模组,可同时测试 8 个扬声器,且均在无响室中来测试。测试后的所有数据资料都会放置在二维码之中,每颗芯片的详细生产数据,甚至晶圆来源、测试工厂、封装工厂都在上面,可靠性非常强。

  xMEMS 的 MEMS 团队是美国和欧洲最大的团队,目前 MEMS 和 CMOS 设计合共大概 20 个人,还有 10 几人负责制程、封装、测试。

  另外,虽然人数不多,但有固定 8 人进行下一代的研发,且下一代的研发在实验室中已经有相当好的成果。

  媒体:xMEMS 目前已得到一些中国国内投资人的青睐,想请问一下,在与投资人的沟通过程中,他们都看重了 xMEMS 公司的哪些特质?

  MEMS 扬声器是人家都比较不愿意碰的,此前也一直没有产品被做出来,但当我们开始有一些东西能展示的时候,大家对这个兴趣就开始高了。

  媒体:xMEMS 的产品主要是提升清晰度以及效率,那么对降噪会有什么帮助?OEM 厂商设计降噪时,是需要按照传统方法设计,还是会有不一样?

  目前耳机有几种降噪,现在比较流行的 ANC 主动降噪的方式是通过麦克风抓取噪音、送 DSP 处理,然后发出相反信号进行消除,这种办法能够消除环境噪音,例如飞机引擎等持续性的噪音。

  但是目前 ANC 存在挑战,由于传统线圈的工作原理存在延迟,反应时间相对来说比较慢,举个例子,很难处理不是固定频率的噪音,例如小孩的哭声。

  但是 xMEMS 的 MEMS 扬声器的反应时间则非常少。传统动圈耳机从拾音到播放大概需要 5-7 毫秒,但采用 xMEMS 产品后能够大大减少到 2-3 微妙,如果再加上 Piezo 麦克风的话,整个延迟时间就只剩下 DSP 的反应时间而已,让降噪的范围更大、频率更高。

  现在还挺均匀的,并且其实很多投资者是个人投资。对于产业或创投并没有特别的选择,当然,目前来说,产业端的投资在中国台湾比较多,中国大陆则是以创投端为主。

  (媒体:在演示室好像也看到了大耳(头戴式)耳机。里面是做了一个大的单元,还是将多个小的聚在一起?)

  那个其实是最小的,但里面做了一个声导管,将声音放大,里面有几个特别的专利。

  手机扬声器目前很难做,因为声音在自由空间、尤其是低频会掉得很快,所以在目前,手机的扬声器低频仍然都不太好。

  可是手机面临着更大的挑战。由于 5G 及其他技术应用的发展,手机中的天线、芯片慢慢的变多、耗电慢慢的变大,电池越来越小,但手机又要维持一定的使用(续航)时间,由于扬声器体积十分大,因而不少客户想把扬声器的体积减小,留出更多空余位置。

  这是客户对扬声器体积的需求,但 xMEMS 的目标却更偏向于将音质提高、让声音变好,就是解决如何让声音在自由空间依然保持饱满的问题。

  目前 xMEMS 的其中一个方向是用超音波来载波,例如用 100kHz 来载波 100Hz,相当于在单元时间内播放多次,就能让声音更大,原理并不困难,但是目前仍在努力之中。

  实现这一目标也是 xMEMS 公司的愿景之一,我们从始至终在努力,设置了特别的团队专门负责研发。但这一愿景不是很轻易可实现,是具有挑战的,但也是我觉得很有意义的一个挑战。

  媒体:在主题演讲和技术会议中,xMEMS 也提到了产品在助听设备的应用。xMEMS 在助听设备上有何计划?

  xMEMS 产品对于助听辅听是最好的方案。助听辅听一般应用的是扬声器的高频特性,这正是 xMEMS 的优势,因而会对助听辅听非常有帮助。

  DynamicVant(动态阀门)能让耳朵佩戴助听器通话时更舒服、更清楚,这不是最新的概念,已经有很多公司在做这方面产品,许多 2000、3000 美元价位的助听器已经有相应的特性出现。

  但是,许多公司在做这种动态阀门时面临挑战:一是体积过大;二是开关时具有机械开关声;三则是不抗汗。但 xMEMS 具有 DynamicVant 的 Skyline,对于这三个问题都可以解决。

  深圳场次的 8 家媒体分别来自与非网、芯智讯、新浪网、电子发烧友网、电子创新网、21 财经、国际电子商情及 52audio 我爱音频网。

  首先,我们正真看到,今天的音频行业有三个主要的发展趋势。第一个发展趋势是更高保真、音质更好的音频,这是最重要的一点;第二个是更沉浸、更具空间感的音频,例如 Apple、Dolby 等厂商都在这方面花了很多心思、金钱;第三个方面则是助听器、辅听器及相关功能的发展。

  这三个方向中,都对音频有更好、更高频、更完整的需求,但目前所有的线圈(动圈)单元的频宽都有限,没办法做到全频,甚至在 8kHz 以上就已非常吃力。但是,全硅 MEMS 方案就可同时满足高保真、沉浸感、助听辅听功能的需求,这就给全硅 MEMS 方案提供了机会。

  其次,我们也看到,目前音频行业对于全自动化生产有了一定的需求,但自动化仍是动圈、动铁单元生产中需面临的挑战。然而,xMEMS 的 MEMS 扬声器的生产已经是全自动化的,且无论是在生产制作的步骤、还是应用场景下,MEMS 扬声器都非常可靠。

  (媒体:目前报道指出,xMEMS 是业界首家的全硅 MEMS 扬声器制造商。目前 xMEMS 是没有对标的同行吗?)

  媒体:xMEMS 方案的 MEMS 硅麦和 MEMS 扬声器是封装在一起吗?硅麦会发出声音吗?

  MEMS 硅麦是不应该产生声音的。目前我们的 xMEMS 扬声器也尽量不封装在一起,因为 MEMS 硅麦的 ASIC 和 MEMS 扬声器的放大器电路不太相匹配,而 xMEMS 的放大器电路较为标准,在以后也很有机会整合到 SoC 中。

  当然,目前也有客户询问是否可封装在一起以减少体积空间,所以也有封装在一起的可能。

  对,但是封装的是 MEMS 硅麦,而不是 MEMS 扬声器,因为扬声器一般比硅麦大 5-30 倍。因为扬声器要推动足够的空气,因此体积需要大,但硅麦不需要发声被听到。

  关于和动圈封装在一起的问题,由于「哈曼曲线」的存在,人耳往往偏好更大声的低频,但由于现在很少产品能和动圈单元一样在低频发出足够大的声音,在这种情况下,xMEMS 扬声器配合传统线圈(用于发出低频声音)是成本表现较好、综合看来较均衡的解决方案。

  不过,这仍是过渡阶段的解决方案。我们在实验室中已完成了单芯片的方案,但 MEMS 芯片从设计到量产需要将近两年的时间,因此它属于下一世代产品,在这次的研讨会上就没有展示。

  有人曾经问 xMEMS 产品是不是发不出低频,但其实目前在我们的实验室中已经可完成,比 Montara 大 2/3 的尺寸的芯片可发出 150dB 左右的声音。

  媒体:TWS 耳机已确定进入很成熟的阶段,似乎创新已经比较少了。xMEMS 怎么看?

  现在音频行业已经走到高保真的阶段,已经有许多音频厂商将频宽加大,部分加大到 8kHz 以上,甚至 12kHz、16kHz,这是一个重要里程碑,同时助听辅听也在发展,因此大家其实还是在做很多事情,xMEMS 也有发展的机遇。

  媒体: xMEMS 团队是怎么想到用硅材料研发扬声器技术的想法的?xMEMS 的扬声器跟传统扬声器相比,成本会增加多少?

  我在 2017 年离开 Knowles 楼氏时,有朋友向我介绍称有团队做了 MEMS 的扬声器,但我查看后发现,他们的做法是不正确的,所以当时就有了自己把 MEMS 扬声器做起来的想法。另外,既然 MEMS 的方式可产生足够的音量,我们也好奇将 MEMS 产生的音量变大的方式。

  另外,目前不少手机生产厂商想将扬声器小型化,而我们也有将手机扬声器音质提高的期望,因此,xMEMS 的愿景之一就是做出一个 MEMS 的全硅 loudspeaker(外放扬声器,可以取代手机中的传统扬声器)。

  价格成本问题方面,xMEMS 一开始早期时价格成本会比较高,但在早期的研发进展往往也会很大。xMEMS 的第 2 代产品在同样的面积下发出的声音大了 84%,因此在价格上已经下降一半了。在明年下半年,我们还会出一款价格更低、功耗更小的芯片,且这款新芯片已经在工厂成功试产了。

  所以在价格这一块,在今天,xMEMS 的价格已经跟动铁单元十分接近,在明年还会慢慢的接近动圈单元的价格,我认为在价格这一块客户都是可接受的。

  MEMS 扬声器是音频行业制造扬声器一百多年来的新方案,现在看来,优势已经很明显了,因为在价格、生产、品质方面都已达到比传统方案还好的地步了。

  媒体:相对于传统的扬声器,MEMS 扬声器的声音应该比较小,xMEMS 如何去放大呢?

  我们应用了新的压电材料,从而让芯片在上电压时,位移的幅度更大。另外,还不止如此,我们在设计时还设置了一些孔道,让位移继续加大,使得推动的空气更多,产生更大的声音。

  媒体:在主题演讲上提到,xMEMS 的前几代产品量产似乎不是非常多。但是在 TWS 耳机品类中,肯定是要从大客户开始导入的,能否介绍、透露一下目前客户对 xMEMS 产品的接受度?

  大客户在产品设计、推出上相对来说会更保守,更慢,但 xMEMS 在明年 Q3 会有很多大客户上量。

  例如,我们的 Cowell 扬声器在今年 Q1 进入量产,大概在明年 Q3 就会上线大客户产品,经过一年左右的设计时间。xMEMS 是一个初创公司,但已经在很短的时间里同时与 10 家世界顶级公司共同合作,他们的项目、产品在明年、甚至今年就会上量。

  手机算下一世代产品了,今天来讲还是 TWS 量最大,在 TWS 之后则应该是助听器、辅听器材方面的应用,再之后才是专业级别的耳机。

  由于 xMEMS 的扬声器在高频方面有优势,其实也有很多客户在用 xMEMS 的高频做其他的用途,利用超高频、超声波做出特别用法。例如,一个客户曾用 xMEMS 的高频进行「赶老鼠」的应用,就是考虑到了老鼠对高频的惧怕,以及 xMEMS 在高频上的优势。客户有很多想法,我们也会尽量支持。

  媒体:现在 TWS 耳机已经很成熟,创新点相对匮乏,例如主动降噪等特性已经逐渐普及。您认为 xMEMS 全硅扬声器对 TWS 的创新意味着什么?

  第一个是声音比较好听,可立即创造出产品的差异性;第二个是由于 xMEMS 的高频优势,因此可同时兼顾 TWS 与 OTC 助听辅听设备。

  媒体:xMEMS 扬声器在低频表现如何?在低频响应方面能到达多少 Hz?

  xMEMS 扬声器的低频响应基本始于 20Hz,全频宽约在 20Hz-20kHz。一般会认为,MEMS 扬声器的低频相对薄弱,但是在实验室中,我们的扬声器在低频已经跑到 150dB,因此在低频问题上我们已有了突破。

  媒体:那 MEMS 方案跟传统方案相比,在成本和功耗上是否有具体的对比数值?

  由于在放大器设计上不一样,在开发上还刚起步,MEMS 扬声器的功耗相对来说还是比较大,还没办法优化到动圈的程度,会比动圈功耗大一些。

  但是大多少呢?事实上大的比例非常小,大约在 4%-6% 之间。但是,由于 MEMS 扬声器的体积小,为电池容量的扩大提供了空间,这个差距也非常容易补足。以中长期视角来看,考虑到音频放大器的演进,MEMS 扬声器的功耗会比传统扬声器更低。

  成本方面,xMEMS 扬声器成本已经越来越接近传统方案,已经比某些动铁便宜,且跟动圈越来越接近。成本在今年会稍高,但许多客户会因为声音较好而接受很小的价差。调试成本方面,MEMS 扬声器和传统扬声器是差不多的。

  目前最适合的产品应用是整合了 TWS 耳机与 OTC 助听器的音频产品。用来做用于游戏的头戴式耳机也十分合适,因重量比较轻,戴得久也不会累,但从量来说,我们会认为 TWS+OTC 助听器相对来说的市场会更大。

  媒体:目前从数据分析来看,TWS 耳机的终端市场没有特别大的复苏,对于 xMEMS 这样的产业链上游企业来说是否会有很多压力?xMEMS 会如何应对?

  其实对我们来说压力是变小的。目前 TWS 市场已趋于同质化,市场上的产品十分相像,因此若有产品应用了 xMEMS 的方案,就会有足够的差异化和亮点。

  媒体:目前 xMEMS 在客户拓展方面有什么详细的计划可以分享、透露呢?

  这方面的事情在两三个月之后就会明朗了(有宣布)。xMEMS 的客户有许多不相同的领域的公司,我们也鼓励客户多去发散想象,寻找 MEMS 扬声器的不同应用方式。

  媒体:刚才您提到,xMEMS 的超高频特性在密闭空间中会有较好的应用,例如车里。那么 xMEMS 在日后会不会有与车企的拓展合作?

  在这次研讨会的会场里,我们还放置了一个由多个 MEMS 扬声器组成阵列的桌面音响的演示,其实那个演示很多车企都来听过,而且车企很有兴趣,因为 MEMS 扬声器声音很好,而且重量轻、体积小。

  从方向性来讲,低频没什么方向性,但高频有很大的方向性,因此有的车企认为能做出个人化的音频系统,也有车企觉得可以放在 A 柱中,因此车企有很多不同的想法,也会拿演示去听。

  xMEMS 的愿景是做一个 Loudspeaker(音响扬声器),是更适合汽车的。

  家庭影院一直是 xMEMS 的目标,但营业性的场所例如 KTV、电影院等则不是我们的目标。

  家庭影院、电视是很需要 xMEMS 的,因为电视的标准越来越「可怕」,目前 65 寸电视最薄是 7cm,但目标是 5cm,阻碍之处就在于扬声器太厚了。在今天,xMEMS 的耳机扬声器可以 1mm 多一点,未来在做大型扬声器时,厚度应该在 1.6cm 左右,因此能满足电视的需要。

  另外,许多手表厂商也找过我们,目前手表目前能发声就好,但市场调查与研究预计 2024-2025 年间,手表会在声音方面有所要求。并且,手表越来越薄,也有更多人戴着手表打球、进行剧烈运动,而 xMEMS 扬声器就很薄,且不怕振动。

  媒体:这样看来,xMEMS 是一个有创新、有市场号召力的产品,也有很多待发现的应用方式。但是,xMEMS 在推广给客户时,会不会存在难点或挑战?

  我认为目前客户对 xMEMS 还是很欢迎的。主要难点在于客户的要求较为多样,但目前 xMEMS 最需要的仍是时间,需要一件事情一件事情去做,无法同时做多件事。如何同时应对多个大客户,也是最近我的一大难处,需要去协调。

  媒体:在今年一整年,消费电子市场都较为萎靡。在音频产品方面,例如耳机、助听器等,你认为它们在出货量方面有没有受到影响?

  在今天来讲,下单的量会较少,在时间上也会延后,影响还是挺明显的。不过反而中国大陆的合作伙伴做得比较快,很多的 TWS 耳机、专业耳机等都在大陆设计生产。

  我们当然希望市场会很快恢复,这也是我们来中国大陆做技术研讨会的目的之一。xMEMS 的发展经过五年半,不算太久,其中很多的进展都在疫情期间,和中国大陆的客户的联系较少,所以在全球开放后,我们才很快地决定过来举行研讨会。

  媒体:除了声音以外,这次研讨会中 xMEMS 给我们很欣喜的一点是,睡眠耳机演示对声音的屏蔽。我们都知道,目前市场中耳机的降噪主要是主动降噪,您能否解释一下 xMEMS 在降噪方面的解决方案?

  降噪也是我们很有兴趣的一点,因此在降噪方面咱们进行了许多研究,例如动态阀门放在何处最合适,才能以被动方式最好地将噪声隔绝。

  xMEMS(睡眠耳机)的降噪和主动降噪不一样,在功耗上会小很多,在降噪数据上接近 30dB,效果还是十分显著的。

  是的。密闭式的耳机隔音比较好,但睡觉时长时间戴着对耳朵来说其实会很辛苦、很不舒服,因此在固定时间(例如安静的时候)把阀门打开透气就会有更好的感受。在阀门打开、耳朵透气时,噪声可下降 26dB,在外部有噪音时关闭阀门,就能下降 30dB。

  (媒体:打呼噜是有节奏的,那是否意味着耳机能学习这一节奏实时开关阀门?)

  对的,其实我们的动态阀门动作很快,在芯片上有两种模式,一为快速模式,一为慢速模式。

  媒体:市场上有一些骨传导的耳机,那么 xMEMS 扬声器是否可配合骨传导应用?

  最近 MEMS 扬声器的市场需求、应用厂家慢慢的开始增多,目前 xMEMS 是唯一可做出 MEMS 全硅扬声器、且能从头做到尾的公司。我们也非常鼓励、支持各厂家进入 MEMS 扬声器领域,因为 MEMS 扬声器对整个音频市场都有很大的影响。

  xMEMS 的愿景是制造出 MEMS 大型扬声器、取得突破,并改变家庭剧院领域,让家庭剧院不再需要低音喇叭、更不需要 5.1、7.2 声道等,而是让每一个扬声器、音响都是全频,且体积十分小。我经常有一个梦,梦中我在家中的二楼就听到很美妙的音乐,但下楼却找不到扬声器在哪里,我也期望这个梦可以很快实现。

  创新单片的换能结构在硅中同时实现了致动和振膜,由此生产出世界上机械响应速度快的微型扬声器,消除了动圈扬声器弹簧和悬挂系统恢复的问题。这项技术使得 xMEMS 扬声器拥有准确的音乐重现、饱满的声音清晰度以及更高的空间感。