MEMS 揚聲器小註解

近來有許多微機電揚聲器 (MEMS speaker) 公司出現在市場上. 打著優於傳統揚聲器的功耗、體積等優勢, 大舉進軍小尺寸的市場 – 像是耳機這種應用. 在更深入瞭解 MEMS Speaker 之前, 我先來回顧一下傳統的 speaker 的最主要原理和元件 [1].

發聲的關鍵在於上圖 (取自 [1]) 的驅動部分, 特別是永久磁鐵和音圈 (voice coil). 永久磁鐵包圍音圈或是音圈包圍永久磁鐵這兩種設計都可以達到目的. 當類比聲音訊號輸入, 大小不同的聲音會改變電流大小, 然後電流改變音圈上磁場的大小, 再根據弗萊明左手定理 [2],  產生力的變化而推動振膜.

下圖取材自 [3]. 永久磁鐵被標為深色 Magnent, 音圈被標為剖面的五條線繞成圈圈. 我喜歡這張圖是因為它有標示極性 (N/S), 還有弗萊明的左手.

所以基本上, 喇叭要出聲只需要在線圈上改變電流強弱就行. 而 MEMS 呢, 由專利說明書來看 [5], 基本上就是用 MEMS 做出一個 silicon 薄膜, 然後用 silicon 懸臂支撐住. 震動這塊振膜就可以出聲了.

在一篇專利 [5] 的說明中, 我們可以看到比較詳盡的 MEMS 原理說明.

至於 MEMS 還有沒有磁鐵? 這是可選擇的.  因為微機電也可以在矽基 (大陸翻成硅基) 上做出釤鈷磁鐵. 但 [5] 這篇的重點在於省掉永久磁鐵, 只用電流方向來改變磁場方向. 因此不是強弱變化可以發生, 相吸或是相斥的變化也可以發聲.

在功耗方面, MEMS 少了傳統 speaker 裡面的線圈, 改為矽晶圓製程. 光看體積上的差異, 用直覺就可以判斷發熱應該會減少. 但是音量夠不夠呢? 頻率響應好不好呢? 就是它的潛在限制. 有些主攻助聽器、藍牙耳機, 有的推 speaker array (以量取勝堆音量), 這都暗示了小 IC 還是推不動重低音. 即使 SPL 很大, 但只是在一個點如此. 好比一排衝鋒槍是轟不倒城牆.

在 1K~40 KHz 這範圍的頻率響應, 據說 MEMS 和傳統的類比喇叭相當. 不過類比喇叭可以用大尺寸來表現低頻 (高波長, 20~1KHz), 這點在 MEMS 上應該是沒辦法做到. 20 Hz 的波長是 (330 m/s)/(20Hz) = 16.5 m. 單純震動一大塊薄膜來產生低音會非常沒有經濟效益. 不過比照耳機的原理, 只要製造出封閉空間 (closed tunnel ) 就可以用小空間產生低音. 另一個方法是產生虛擬的低音 (virtual pitch 不知道怎麼翻譯) [8]. 這邊也註記一下.

[Note]

1. 音響世界入門第一課：弄清楚揚聲器、喇叭與單體
2. 弗萊明左手定則(Fleming’s Left Hand Rule)與馬達驅動
3. 喇叭單體與揚聲器系統(上)
4. 電動式揚聲器
5. 專利: 一种硅基mems微扬声器
6. 專利: MEMS Loudspeaker with Position Sensor
7. https://audioxpress.com/article/the-impact-of-mems-speakers-in-audio
8. https://www.quora.com/How-can-headphones-produce-low-notes-when-speakers-have-to-be-large