1. 引言
MEMS的應用領域（來源：Yole）隨著消費電
子產品的快速發展，全球音頻市場在過去十年中呈現尺寸越來越小、功耗更低、性能更好的趨勢。揚聲器作為筆記本電腦、智能手機、耳機等移動電子設備的核心組件之一，對更小、更輕、更節能的要求很高。目前，這些移動電子設備中的揚聲器以帶有笨重的傳統動圈揚聲器為主，由于音圈和永磁體必須組裝，因此批量制造仍然具有挑戰性，這些傳統揚聲器的小型化也對音質產生了負面影響，并且由于采用的材料和制造方法而達到了一些限制 。例如，傳統揚聲器的塑料或聚合物振膜太軟，無法用作高質量的散熱器表面 。在小型化過程中，機械懸架和電磁部件的簡化會導致帶寬減小和非線性增加，從而降低音質。傳統的制造技術也難以在揚聲器的小型化中實現高尺寸精度和良好的再現性。
MEMS主要產品類型（來源：MEMS）
相比之下，微機電系統 （MEMS）微型揚聲器因其固有的優勢而越來越受到關注，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制開發了MEMS揚聲器，并取得了可喜的成果，包括電動、靜電、壓電和熱聲MEMS揚聲器，人們還探索了各種材料和制造方法來開發 MEMS 揚聲器。MEMS揚聲器的性能已經從幾個關鍵規格方面進行了評估和比較，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 揚聲器聲學性能的兩個廣泛使用的參數。THD 也是評估 MEMS 揚聲器聲品質的重要參數 。
不同類型的MEMS揚聲器
在微機電系統 （MEMS） 技術的推動下，MEMS 微型揚聲器在過去十年中得到了迅速發展，以滿足蓬勃發展的音頻市場的需求。MEMS 揚聲器具有占用空間小、成本低、易于組裝等優點，在TWS耳機、OTC助聽器、和物聯網 （IoT） 方面的潛在應用引起了廣泛關注。其中，壓電MEMS揚聲器較早實現了商業化。硅基MEMS器件是基于微小硅結構機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，即由機械形變產生微小電荷，或者反過來，由施加的小電荷產生機械形變。作為微型執行器，壓電MEMS器件能比硅基深硅蝕刻MEMS執行器提供更大的作用力。
壓電效應和逆壓電效應
壓電MEMS執行器（揚聲器）和MEMS傳感器（麥克風）示例
當前，MEMS 技術再次成為微型揚聲器行業的熱門話題。最近一段時間，MEMS揚聲器技術在耳機（TWS, IEM）和OTC助聽器市場已經取得了可喜可賀的進展，未來也可能會在XR眼鏡和智能手機市場取得進展。
2. MEMS揚聲器開啟商業化征程
一項新技術想要替代沉淀了一個世紀的經典動圈技術談何容易！雖然和動圈方案相比，MEMS揚聲器在尺寸和重量方面擁有先天的優勢，在帶寬和時延等音質參數上也展示出了更優越的性能，如果希望僅靠這些特性就可以快速占領市場還為時尚早；MEMS揚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，由于現有的MEMS揚聲器方案采用了代工廠新導入甚至不具備的工藝路線，其成本較傳統動圈高出一大截；要比較揚聲器功耗的大小，就要引入靈敏度這一關鍵參數。一款微型揚聲器的靈敏度等于其每消耗1 mW的電能所產生的聲壓大小。直觀理解為靈敏度越高代表在相同的耗電下產生的音量越大，然而更具有實際意義的理解是，靈敏度越高代表在產生相同的音量大小下耗電更少，即功耗越低。隨著消費級可穿戴設備（如TWS耳機、助聽/輔聽耳機）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揚聲器的市場驅動因素（來源：MEMS）道阻且長，
型MEMS產品的開發周期一般較長。盡管研發時間會慢慢縮短，成本降低和大規模量產的障礙仍然存在。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、異質集成技術）的開發“連綿不絕”，以期望為MEMS產業開拓新的產品和應用疆界！例如，通過磁控濺射方法制備AlN或AlScN薄膜，以實現壓電式微機械超聲換能器（PMUT）、壓電式MEMS麥克風的構建；通過智能剝離（Smart Cut™）技術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、電光調制器、微環諧振器的制造。如今的MEMS企業已經能依靠堅實的基礎制造技術實現產品創新，盡管成本降低和量產爬坡仍是難點，但是器件商業化時間和成本降低時間已經大為縮短：上世紀60年代的壓力傳感器商業化時間為15年，成本降低時間為15年；而現在的MEMS揚聲器商業化時間僅為5年，成本降低時間也只需4年。越來越多的MEMS器件踏上商業化之路，并孕育巨大的市場機遇。
典型MEMS器件商業化所需時間：從實驗室到量產（來源：Yole）
據知名咨詢企業Yole預測，MEMS揚聲器是僅次于MEMS時鐘的未來最具有發展潛力的MEMS器件，據其《MEMS產業現狀2022》報告顯示，2021-2027 MEMS揚聲器的年復合增長率（CAGR）將超過100%。Yole認為TWS無線耳機設備將是MEMS揚聲器的主要突破點，其次是智能手機、汽車等應用。
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揚聲器在TWS耳機中的商業化落地。MEMS高音揚聲器能夠在高頻下實現理想的性能，并擴展至40kHz乃至80kHz的高分辨率音頻，使TWS耳機擁有最準確的時域音樂再現、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揚聲器方案開始在 Creative 、Noble和 Soundpeats 等廠商進入量產， MEMS 又增添了新的應用方向。而 MEMS 揚聲器也正在成為一種可選的音頻解決方案，以滿足現代音頻設備日益增長的更小、更輕和更節能的需求。目前，MEMS揚聲器已在TWS耳機、IEM耳機、OTC助聽器、音頻眼鏡和核磁共振成像耳機等產品實現商用。
TWS耳機產品采用MEMS揚聲器技術的品牌廠商有Creative創新科技、Noble Audio諾岱、SoundPeats泥炭、NUARL等。
搭載MEMS揚聲器的TWS耳機
耳放廠商iFi積極推出支持xMEMS揚聲器模式的便攜放大器產品，
型號有iDSD Diablo-X、iDSD Diablo 2和ZEN CAN 3，為入耳式監聽耳機（IEM，In-Ear Monitors）采用MEMS揚聲器方案推波助瀾。
支持xMEMS揚聲器模式的iFi耳放
目前，入耳式監聽耳機IEM 采用MEMS揚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揚聲器的IEM耳機
OTC助聽器采用MEMS揚聲器方案的品牌廠商有Minitakara耳寶和Linner。
搭載MEMS揚聲器的OTC助聽器
印度AR公司Focally在研發的Universe AR眼鏡原型中加入MEMS高音揚聲器和電動低音揚聲器以實現空間音頻效果。同時，Fauna音頻眼鏡憑借MEMS揚聲器提供自然、沉浸式的聲音體驗。
搭載MEMS揚聲器的眼鏡
MEMS揚聲器沒有磁鐵和線圈，免受電磁干擾，使耳機能夠保護患者免受大音量噪音的影響，并使患者在核磁共振成像機器內感到放松。Nordic Neuro Labs，SMRT Image等廠商已經成功把MEMS揚聲器應用到核磁共振成像耳機。
搭載MEMS揚聲器的核磁共振成像耳機
3. MEMS 揚聲器市場概況和趨勢
根據The Business Research Company 的市場概況和增長預測
當前市場規模：2023 年，MEMS 揚聲器市場價值 48.2 億美元。
短期預測：到 2024 年，市場規模預計將增長到 52.4 億美元，復合年增長率 （CAGR） 為 8.7%。
長期展望：預計到 2028 年，市場規模將達到 73.6 億美元，復合年增長率為 8.9%。
全球MEMS揚聲器市場（來源：The Business Research Company）
根據Market Research Future預測，2022 年 MEMS 揚聲器市場行業規模為 25 億美元。MEMS 揚聲器市場預計將從 2023 年的 29 億美元增長到 2032 年的 98 億美元，在預測期間（2024 - 2032 年）的復合年增長率 （CAGR） 為 14.6%。消費電子產品對緊湊和高能效音頻解決方案的需求不斷增長，以及 MEMS 技術因其能夠提供更好的音質和設計靈活性而越來越多地采用，是推動市場增長的主要市場驅動力。
MEMS揚聲器市場（來源：MEMS Speakers Market Research Report）
全球 MEMS 揚聲器市場有望實現大幅增長，這得益于消費類電子產品. 這些微型揚聲器利用微機電系統 (MEMS) 技術，具有體積小、音質好等優勢，非常適合可穿戴設備以及助聽器。此外，語音設備需求的不斷增長以及MEMS揚聲器在AR/VR應用中的集成預計將進一步推動市場擴張。
根據Data Bridge Market Research 分析，全球 MEMS 揚聲器市場在 2023 年的規模為 76.2 億美元，預計到 2031 年將達到 116.9 億美元，預計在 2024 年至 2031 年的預測期內復合年增長率為 5.5%。
全球 MEMs 揚聲器市場 – 行業趨勢和 2031 年預測（來源Data bridge）
根據Verified Market Reports，MEMS 揚聲器市場規模在 2023 年價值 30 億美元，預計到 2030 年底將達到 99 億美元，在 2024-2030 年的預測期內復合年增長率為 14.5%。
MEMS 揚聲器的市場復合年增長率受到各種消費電子產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、可穿戴設備和緊湊型智能揚聲器等小型化、更便攜設備的趨勢不斷增長，對能夠提供高質量聲音同時適應受限空間的音頻組件的需求越來越大。MEMS（微機電系統）揚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揚聲器可能很笨重，限制了它們與纖薄便攜設備的集成。另一方面，MEMS 揚聲器利用微納加工技術來創建可以有效產生聲音的微型結構。這種小型化不僅允許無縫集成到更小的設備中，還有助于提高能源效率，這是延長便攜式電子產品電池壽命的關鍵因素。
MEMS 技術本身的日益普及是 MEMS 揚聲器市場的重要驅動力。MEMS 涉及將機械元件、傳感器、執行器和電子元件集成在單個芯片上，從而能夠創建高度緊湊的多功能設備。在揚聲器環境中，MEMS 傳感器取代了傳統元件，具有尺寸更小、可靠性更高等優點。
對增強音質和設計靈活性的追求是 MEMS 揚聲器市場背后的驅動力。消費者越來越期望在各種設備上獲得高保真音頻體驗，而 MEMS 揚聲器正好滿足了這一要求。MEMS 獨特的設計和制造工藝能夠精確控制機械元件，從而提高聲音再現和清晰度。此外，MEMS 揚聲器提供的設計靈活性超越了傳統揚聲器元件的限制。這種靈活性使制造商能夠探索新的音頻產品設計，從而在美學和功能方面塑造市場。無論是將揚聲器集成到設備內的非常規空間，還是探索創新的外形尺寸，MEMS 技術都提供了滿足不斷變化的消費者期望所需的創作自由。
4. MEMS揚聲器未來可期
智能手機、平板電腦、智能手表和TWS耳塞等設備對MEMS傳感器的需求持續增長，推動了這一領域的擴張。隨著技術的進步和新應用的出現，預計消費電子市場將繼續保持對MEMS設備的高需求。
可穿戴設備的三次浪潮（來源：Yole）
MEMS揚聲器可以通過全自動化生產線制造，其尺寸較小，占用系統 PCB 板的空間更少，從而有利于系統集成商添加更多傳感器以實現更多功能，或者采用更大容量的電池以提升系統的運行時間。傳統揚聲器在電視、傳統音箱、智能音箱、手機、TWS耳機、傳統耳機等多個大規模市場都有應用，而MEMS揚聲器未來有望挑戰傳統揚聲器市場。隨著傳統的揚聲器達到技術極限，MEMS揚聲器正成為新興的產品差異化路線。
Yole預計2028年左右，MEMS揚聲器在XR眼鏡中實現大規模應用（來源：Yole）
MEMS揚聲器充當機器人的嘴巴（來源：Yole）
隨著技術的迭代發展，MEMS揚聲器在TWS耳機中的市場份額進一步擴大，未來有望在OWS耳機、智能手表、XR眼鏡、人形機器人等其它電子產品中實現大規模應用。技術加速更新，各大廠商競逐MEMS揚聲器領域，采用MEMS揚聲器方案的品牌客戶越來越多，MEMS揚聲器的商業化正如火如荼地進行。
參考文獻：
Review of Recent Development of MEMS Speakers，Micromachines 2021, 12(10), 1257
海通證券-半導體產品與半導體設備行業跟蹤報告: 關注 MEMS 揚聲器應用落地
《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揚聲器量產按下加速鍵， MEMS
第66期“見微知著”培訓課程：MEMS制造工藝-電子工程專輯 (eet-china.com)，MEMS
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