據麥姆斯諮詢介紹，隨著智能音箱的普及，基於語音的服務正越來越多地滲入我們的日常生活。蘋果（Apple）、華為（Huawei）、亞馬遜（Amazon）、天貓（Tmall）和百度（Baidu）等主要的硬件和內容提供商都在努力通過強大的個人語音助手來發展自己的業務。
現在，長期佩戴在耳朵中的“語音互聯網”概念也正在形成，為“耳戴式”產品從純粹的播放設備發展成為類似智能手機的智能語音助手打開了大門。隱私和數據保護，以及可靠的用戶身份識別，將成為確保這種概念產品被接受的兩個關鍵因素。因此，需要強大的邊緣計算來進行“聲學指紋”讀取、語音識別和語義處理。顯然，無線電接口和音頻處理將對耳戴式產品的能耗提出新的需求。此外，由於耳道狹窄的空間限制了產品尺寸，因而需要更節能的電子元件來確保最持久的電池續航。
a. 一種利用微型氣室的MEMS揚聲器3D示意圖；b. 剖面示意圖
據麥姆斯諮詢報道，德國弗勞恩霍夫光子微系統研究所（IPMS）和科特布斯森夫滕貝格勃蘭登堡工業大學（BTU）的科學家合作為耳內MEMS揚聲器開發並驗證了一種新型高能效聲學換能器原型。
這款MEMS揚聲器的幾何結構。a. 器件層俯視圖，展示了執行器及其佈局；b. 三排執行器的局部放大圖；c. 包含尺寸的執行器細節放大圖。
這款全新的聲學換能器原型沒有采用傳統的膜片技術，而是由多組長短不同的彎曲執行器組成，類似於放置在硅芯片腔體內的豎琴琴絃。新型的靜電彎曲納米靜電驅動（Nanoscopic Electrostatic Drive, NED）執行器由20微米薄的彎曲換能器構成，音頻信號的電壓可以使執行器振動。
a. 組裝好的MEMS揚聲器芯片結構，其頂部覆蓋具有聲學開口的晶圓。該芯片包含了三個不同的微型揚聲器，在此次測試中未切割分離；b. 鍵合後晶圓的剖面圖，展示了三片晶圓及其厚度。
為了防止兩端發生聲短路，由Bert Kaiser、Holger Conrad和Harald Schenk教授帶領的科學家團隊將兩片帶有輸入和輸出槽的硅晶圓層鍵合在彎曲執行器的頂部和底部。因此，利用NED執行器在硅芯片內的運動，可以在微型氣室中產生聲音。這款聲學換能器原型可以採用完整的硅工藝，製造MEMS微型揚聲器。
IPMS以及BTU科學家們已經在實驗室中測量驗證了這種全新的聲學換能器原型。有趣的是，該原型可在如此小的芯片面積上展示超過100dB的聲壓。下一階段的研究挑戰，將是進一步微型化的同時，在較大的頻率範圍內提高響度和音頻保真度。
目標是從不到10平方毫米的芯片面積獲得120dB。將這種靜電轉換器原型與電子放大電路相結合可實現高能效的系統，除了入耳式耳機應用之外，還特別適用於耳戴式智能設備甚至助聽器產品。IPMS以及BTU科學家們在論文中稱，整個系統達到了100 dB/mW的靈敏度。
CMOS工藝兼容
此外，該原型的製造工藝與典型的CMOS工藝兼容，並且不使用鋯鈦酸鉛（PZT）等特殊材料。因此，可以利用大量現成的基礎設施用於這種MEMS微型揚聲器的集成、封裝和大規模批量生產。
與10多年前MEMS麥克風的狀況類似，這種基於NED的新型MEMS音頻換能器方案有望成功商業化，並取得較高的市場佔有率。據Harald Schenk教授稱，正在計劃成立一家新的MEMS微型揚聲器公司將其推向市場。
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