又一传感器将被MEMS颠覆!未来5年爆发!这次中国主导制定首个全球标准!

2023-08-03
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摘要 这次,能重现其他MEMS传感器的成功吗?

20年前,MEMS喷墨打印头在打印机里广泛使用,取代了传统的机械式打印头,使惠普、佳能等打印机厂商成为MEMS领域巨头。


10年前,随着智能手机崛起,MEMS麦克风被广泛应用,取代传统的驻极体麦克风,我国多个MEMS企业借着这股东风崛起,譬如歌尔股份、瑞声科技、敏芯股份都是我国乃至全球MEMS麦克风的市场领导者。


在这些浪潮中,中国企业都是追随者。今天,又有一个传统器件即将被MEMS技术颠覆,而这次,中国企业正在参与拟定该MEMS技术全球首个标准!


多家机构预测2023年将是大批量出货元年全球最大的MEMS企业博世也通过收购入局并将成为其下一个发力点未会有哪些MEMS企业脱颖而出?


全球MEMS扬声器行业首部技术标准起草工作启动会在深圳召开,中国牵头编制首个全球标准!


近日,据深圳市音响行业协会官方公众号发布新闻稿介绍,7月16日,全球MEMS扬声器行业首部《MEMS扬声器通用技术要求》团体标准工作座谈会在深圳前海国际会议中心召开。该团体标准于2023年4月立项,由深圳市音响行业协会提出并牵头协调组织编制工作。


据悉,来自深圳市音响行业协会、东南大学、立讯精密、韶音、瑞声科技、精拓丽音、USOUND、xMEMS、华景、苏州声学产业技术研究院、纳芯微、领航微等单位的相关国内外专家及代表共计20余人参加会议。可以看到,瑞声科技、纳芯微等多家熟悉的国产MEMS十强企业均有参与。


扬声器是目前智能设备里,极少数未被MEMS替代的器件,这个已有数十年历史的行业将在未来几年被MEMS所颠覆。


经过长时间的孕育,目前全球MEMS扬声器产业正处于规模化量产前夕,全球声学领域都在期待MEMS扬声器这一新技术的量产到来,因为MEMS扬声器技术较新颖,目前全球尚无明确、统一的行业标准。


据本次标准起草负责人精拓丽音创始人、深圳市音响行业协会专家袁世明介绍,制定本团体标准的目的和初心是为了促进MEMS扬声器生产的规范化、标准化。


本次标准起草工作的召开为提升我国在MEMS扬声器领域的国际地位和话语权做出了重要贡献,是新一代电声产业由"量”变"质”的重要里程碑。


▲来源:深圳市音响行业协会


博世入局,全球MEMS扬声器2023年开启大规模量产!未来5年成MEMS领域增长亮点!


据多方资料显示,目前早期 MEMS 扬声器产品已经开始放量,例如内置MEMS扬声器企业USound MEMS扬声器的智能眼镜 2021 年在美国收入达到百万级美金。


TWS 耳机头部厂商也在导入 MEMS 扬声器技术,例如2022 年底,立讯精密选择 USound 作为其 MEMS 扬声器的战略供应商,为其 TWS 耳机提供全新超紧凑混合音频模块,而该方案预计将于 2023 年量产。MEMS 扬声器将来有望在手机、TWS、PC、智能家居等多个领域得到应用。


2022 年 4 月 28 日,全球MEMS龙头企业博世(Bosch),收购了总部位于德国的MEMS 微型扬声器专家 Arioso Systems,从而向业界宣布大举入局MEMS扬声器领域,这为博世 MEMS 产品组合带来扩充,同时也吹响全球MEMS扬声器市场增长的号角。


据近日,知名电子媒体电子工程专辑与Bosch Sensortec全球战略及市场负责人Sebastien Therond的对话显示,MEMS扬声器未来或许成为博世在MEMS领域的又一发力点

“声学对我们而言是个新的领域”——Bosch去年收购了MEMS扬声器厂商Arioso Systems,这对Bosch而言,应该是非常重要的一步——“我们通过收购获得了很棒的技术,产品现在还没有上市”,Sebastien在采访中反复提到了MEMS扬声器产品,言及Arioso的技术很独特,在传感器尺寸、功耗方面很出色,未来大概可以期待一下。


▲博世MEMS传感解决方案产品组合(来源:博世)


Arioso Systems 以其专有的音频换能器技术而闻名,该技术通过移动硅芯片内的垂直薄片来产生声音。据新闻稿称,Arioso Systems生产的MEMS扬声器可产生具有竞争力的声压级 (SPL)——在10mm 2的有效区域内可产生高达 120 dB SPL。该 MEMS 微系统采用全硅 MEMS 静电致动器,可在可听设备和可穿戴设备中保持电池电量。


▲Arioso Systems新型MEMS微型扬声器和一分欧元硬币的对比图


据外媒SemiMedia,在2023年4月份,采访全球知名半导体咨询企业Omdia的MEMS与传感器高级研究分析师Nora Houlihan的对话显示,未来5年MEMS扬声器将是增长最快的MEMS器件。


问:我们继续看到一些MEMS应用研究和产品增长令人惊叹。您认为哪种 MEMS设备会在五年内大幅增长? 为什么?

Houlihan:预计五年内MEMS扬声器将显著增长,因为这项技术会越来越便宜,而且它们的尺寸、范围和质量优势也会得到巩固。随着MEMS尺寸越来越小,设计者可以在不增加产品整体尺寸的情况下增加器件和功能。这在可穿戴设备等产品中尤为重要。



根据此前MEMS扬声器领先企业USound的市场预测:从2023年起,MEMS扬声器市场将一路走高;从2024年起,平衡电枢式扬声器市场份额将明显减少;预计到2025年,MEMS扬声器将在TWS耳机领域中占据50%的市场份额。这种快速增长源于可穿戴设备的小型化发展趋势,以及消费电子市场对元器件的微型化、低成本、低功耗的需求。


据知名咨询企业Yole预测,MEMS扬声器是仅次于MEMS时钟的未来最具有发展潜力的MEMS器件,据其《MEMS产业现状2022》报告显示,2021-2027 MEMS扬声器的年复合增长率(CAGR)将超过100%。Yole认为TWS无线耳机设备将是MEMS扬声器的主要突破点,其次是智能手机、汽车等应用。



▲来源:Yole


什么是MEMS扬声器技术?与其他技术对比有什么优劣?


扬声器的种类很多,在个人音频及智能穿戴市场,主流应用包括了动圈单元(动态驱动器)和动铁单元(平衡电枢驱动器)两种。目前的主流方案是动圈保留,动铁被MEMS扬声器替代。


MEMS扬声器是一种新兴的扬声器技术,是将电信号转变为声信号的微型换能器,其核心组件(例如执行器/驱动器、振膜、热声膜等)利用MEMS技术在半导体材料上制造而成。MEMS扬声器工作原理主要有四种:压电式、电动式、静电式、热声式。


目前,压电式MEMS 扬声器占据主流,以USound、xMEMS为代表的压电式MEMS扬声器创业公司不断打磨技术能力并完善产业链,多款MEMS扬声器新产品应运而生并逐步渗透至可穿戴及便携式设备,以取代平衡电枢式扬声器等传统扬声器。


压电式 MEMS 扬声器的工作原理是使用压电薄膜作为有源元件,当施加电压时会发生变形,这种机械偏转使周围的空气发生位移并产生声波。



▲MEMS扬声器工作原理示意图(来源:麦姆斯咨询)


与平衡电枢扬声器相比,MEMS 扬声器可以提供显着的尺寸优势。


该技术的一个主要优点是它与硅工艺的兼容性,这意味着它可以以低成本大规模和极小尺寸生产。例如,USound 扬声器中的 MEMS 电机厚度不到 0.5 毫米,比其电动同类产品小一个数量级。


此外,MEMS扬声器可以定向发声,增加智能手机免提的效果和通话私密性。目前MEMS扬声器驱动距离1-1.5m,理想是驱动距离5-8m的距离,如果MEMS扬声器能做到5-8m的声音传输距离,那么在电视机市场、智能家居市场的应用会迅速升温。


除了尺寸之外,MEMS 扬声器还具有极低的功率(由于其高固有阻抗的结果)以及出色的音频质量。MEMS 扬声器也可以构建在与放大器相同的 PCB 基板上,从而节省电路板空间,有利于系统集成商添加更多传感器以实现更多功能,或者采用更大容量的电池以提升系统的运行时间。


▲使用三种不同扬声器在 94 dB SPL 时测得的电流消耗:USound MEMS 扬声器、Knowles 26824 平衡电枢扬声器和 Samsung HS330 动圈扬声器(来源:USound)


因为MEMS扬声器使用硅工艺进行全自动化生产线制造,而平衡电枢式扬声器需要手工组装,因此,随着技术进步和大规模量产,MEMS扬声器还具有低成本、低功耗、高可靠性、易于集成等优点。


▲MEMS扬声器构建于PCB基板中(来源:Usound)


国内外部分主要MEMS扬声器厂商


Usound(悠声科技)


USound是一家来自奥地利的全球MEMS扬声器和声音解决方案领军企业,成立于2014年,于2021年底完成了 3000 万美元的 B 轮融资,总融资额超过 7500 万美元。


USound是全球领先的MEMS扬声器厂商之一,据悉其采用意法半导体的MEMS制造工艺,2022年8月,USound与淄博高新区、惠友资本共建微系统IDM及产业集群项目,USound中国总部落地淄博高新区,依托TDK新科实业世界顶尖的压电技术、USound世界领先的MEMS扬声器技术,致力打造全流程的MEMS扬声器生产线和国内一流的微系统产业集群,填补行业空白。



该项目将结合淄博高新区现有MEMS产线与USound的自有设备组合,共同打造完整工艺流程的MEMS扬声器生产线,打造出全球第一家掌握MEMS扬声器全环节的IDM厂商。项目合计年产值达60亿元以上,此前消息,该项目计划于2022年第四季度量产。


目前,USound已与立讯精密、AT&S、Elemaster Electronic Technology等全球多家下游头部企业达成合作。



▲内置USound MEMS扬声器的智能眼镜产品,其出货量已达百万美元级别


xMEMS(知微电子)


xMEMS公司成立于2017年,总部位于美国加州圣克拉拉,在台湾设有分公司,2021年进行了1000万美元的A轮融资。


xMEMS是全球领先的MEMS扬声器企业之一,2020年7月,xMEMS发布了全球首款单片式MEMS扬声器,据悉该产品由台积电流片,该公司已将其首款产品商业化。


2023年4月,xMEMS推出Cowell、Montara Plus、Skyline DynamicVent三款MEMS微型扬声器解决方案,可立即集成到下一代真无线立体声(TWS)耳机、入耳式耳机(IEM)、数字助听器以及智能眼镜和睡眠耳塞等新兴的个人音频电子产品中。


▲xMEMS扬声器产品参数以及构造


博世&Arioso Systems


Arioso Systems成立于2019年,是从德国弗劳恩霍夫光子微系统研究所(Fraunhofer IPMS)独立出来运营的创业公司,总部位于德国的德累斯顿,是全球最具创新性的MEMS扬声器技术厂商之一。


2022年5月,Arioso Systems被全球MEMS龙头企业博世收购,其技术将为博世现有 MEMS 产品组合带来扩充,适用于穿戴式和耳戴式设备。


瑞声科技


瑞声科技是中国MEMS十强企业之一,MEMS麦克风是其最主要的MEMS产品,此外瑞声科技还拥有加速度计、陀螺仪、射频等MEMS产品。


2023年,瑞声科技推出其首款MEMS扬声器,可通过蓝牙芯片直驱,摒弃PA真正实现超低功耗,主打Hi-res认证的音质要求,用高低音单元分频的方案,可以极大地提升耳机的音频质量。


▲瑞声科技MEMS产品系列


润欣科技


润欣科技成立于2000年,是国内领先的IC产品和IC解决方案提供商,近年来开拓MEMS传感和AIOT边缘计算等新兴技术领域。


据润欣科技与投资者交流问答资料显示,润欣科技与国家智能传感器创新中心组建联合实验室,共同研发 MEMS 技术以及推动其量产。基于创新中心的 12 吋先进传感器特色工艺中试线,润欣科技的MEMS 扬声器预计在 2023 年下半年开始放量,有望成为公司的新增长点。


结语:这次能重现前辈的成功吗?


自从诞生以来,MEMS技术总被认为是可以创造奇迹的技术,并成功颠覆了许多应用领域。


最初MEMS麦克风被集成到第一款摩托罗拉RAZR手机中,之后,随着智能手机兴起,传统的驻极体麦克风被MEMS麦克风替代,退出历史舞台。中国MEMS企业,歌尔股份、瑞声股份、敏芯股份等抓住了这股浪潮迅速成长。


同样,因为智能手机创新的交互需要,MEMS陀螺仪和加速度计开始变的流行,应美盛果断从向任天堂等掌上游戏机厂商提供MEMS传感器,转而推出面向手机的MEMS惯性传感器,从而应美盛的MEMS业务获得了飞速成长。


扬声器是目前智能设备里,极少数未被MEMS替代的器件,这个已有数十年历史的行业将在未来几年被MEMS所颠覆。


未来五年,或许我们就能在身边的TWS、手机、电脑等各种设备中看到MEMS扬声器的身影,就如同今天无处不在的MEMS麦克风一样。


MEMS扬声器能重现前辈的成功吗?

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