MEMS麥克風 JFET放大器 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone ECM EMI RF

高品質音訊需求日增 MEMS麥克風漸成顯學

2011-10-07
每年手機和其他行動應用設備所使用的麥克風總數量已超過十億個,而且預計在2011年將會突破二十億大關,在不久之後更可望直逼三十億。對於麥克風龐大且不斷增長的使用量,使得業界頻頻對新麥克風技術進行投資,這些新技術能夠提高性能,增強可製造性,縮小尺寸並降低生產成本。
從上述數字,可以明顯看出,麥克風的數量將遠超過手機數量。箇中原因相當顯著,因功能強大的智慧型手機日益流行,而每款手機需要一個以上的麥克風來進行音訊處理,例如回音消除、雜訊消除、風切聲過濾、波束定向控制、立體環繞聲等。隨著各手機廠商為了增加自身產品的差異性,而競相採用更複雜先進的音訊特性,如此的聲音處理需求也變得漸趨普及。當前行動麥克風有兩種變遷趨勢,首先是從類比到數位,其次為由電容式麥克風(ECM)到微機電系統(MEMS)麥克風。

智慧型手機推波助瀾 MEMS時代已然來臨

多年來,製造商一直致力於提高ECM的性能,如靈敏度、訊噪比(SNR)和回流焊。類比數位轉換器IC,尤其是那些專門為基於MEMS麥克風而設計的類比數位轉換器IC,在提高麥克風性能方面居功厥偉。

至於MEMS麥克風,其市場經歷過一波又一波的發展浪潮。第一波浪潮在2002年,由採用MEMS麥克風的圖示式手機(Iconic Cell Phone)引領。而2005~2008年,新MEMS麥克風面世,也帶動第二波浪潮並挑戰上一代產品,但成效有限,影響不大。

第三波即將來臨的浪潮卻有著改變一切的潛力,因為隨著麥克風轉變為完全由半導體生產設施,如晶圓廠、封裝和測試等製造出的純粹半導體產品,傳統麥克風供應商可能被主流半導體製造商所取代。如此的轉換浪潮是由手機製造商所推動,其希望將麥克風視為半導體元件進行採購,並能夠如同半導體元件一般焊接於電路板上,價格也可比照半導體元件,並且由口碑良好的半導體供應商來供應。

由晶片公司來供應麥克風產品,可減少手機製造商的供應商數量。由於在手機供應鏈的每一環節上,普遍都存在著激烈的價格大戰,也正在推動著中間環節的消失,在此,即是指麥克風製造商,若減少供應商的數量,可讓手機製造商有更多的價格優勢。此外,它還避免了一層利潤剝削,從而進一步降低產品價格。而大批量手機公司的十足購買力也使供應鏈中的此一重大轉變極有可能達成。

MEMS麥克風市場的另一個推動力量是終端客戶對更高性能的需求。數位技術固有的射頻(RF)和電磁干擾(EMI)抑制能力有助提供波束定向控制、立體空間化和雜訊/回音消除等功能,從而提高性能。因此,這些進階功能都被整合於智慧型手機平台中。由於數位麥克風是增強功能所必需,故智慧型手機的增長即直接意味著數位麥克風數量的攀升,特別是每款智慧型手機所用的麥克風數量並不只一個。

隨智慧型手機越來越受到歡迎,過去僅有昂貴手機才具備的功能將向下朝低階市場的平價手機延伸,而數位麥克風也越來越傾向於採用MEMS,未來將不再局限於高階的智慧型手機。

ECM麥克風設計架構

ECM麥克風主導麥克風市場的時間已長達50年。目前,用於行動應用裝置的ECM麥克風已開始在麥克風外罩內整合接面場效電晶體(JFET)放大器。圖1顯示了傳統類比JFET-ECM的基本結構。

圖1 類比ECM麥克風的橫截面圖

JFET放大器具有低功耗與簡單的優點,但其線性度不佳,而且在嘈雜環境中工作性能較差。這是因為類比麥克風在類比數位轉換之前易引入干擾,並在干擾後才進入訊號路徑。因此,在麥克風的外罩中適當整合一個類比數位轉換器,形成一個「數位」麥克風是很明智的做法。現在,快捷(Fairchild)等半導體供應商採用於同一塊IC基板上整合類比數位轉換器的作法,以作為ECM麥克風的放大器。

圖2 ECM數位麥克風IC的模組示意圖
目前,為支援智慧型手機、平板電腦、行動個人電腦(Mobile PC)和耳機等產品的中高階功能,業者需要更高性能的麥克風,而這種需求也帶動數位ECM麥克風市場的發展。現在,市面上已經有廠商推出在類比數位轉換器(ADC)上採用四階Σ-Δ(Sigma-delta)數據機,訊噪比優於60.5dB的麥克風IC,且進一步提升性能的產品也已在開發中。圖2、3的模組示意圖及麥克風橫截面圖提供數位麥克風IC的架構,並顯示實際ECM麥克風外罩中晶片相對於ECM麥克風振動膜(Diaphragm)的正確位置。

圖3 一般數位ECM麥克風的橫截面圖
ECM麥克風振動膜是以駐極體(Electrets)材料製成,此材料通常為某種聚合物,且其上分布有自由電荷。充電時,振動膜的運動會改變電場,將聲音轉換為電訊號。與此相反,MEMS麥克風的矽振動膜則為電荷中性,故必須進行外部電壓偏置,如使用電荷泵浦來產生換能電場。因此,MEMS麥克風IC可以看作是一組ECM麥克風IC與電荷泵浦的超集合(Superset)。目前,由於振動膜和IC組裝不同,ECM和ECM麥克風的最終封裝結構也有非常大的差異。MEMS麥克風一般採用矩形封裝,而ECM麥克風主要為圓柱形,不過此為約略情況,不一定均為如此。

MEMS麥克風設計架構

圖4 普通的雙晶片MEMS麥克風
MEMS麥克風市場經歷了一個演進的過程,其始於雙晶片類比MEMS麥克風,結構包含一個作為機械麥克風振動膜的晶片,以及另一個在類比麥克風的情況下被當作放大器,或在數位麥克風的情況下當作放大器+ADC的晶片。麥克風振動膜和放大器IC或放大器+ADC IC採用打線接合,共同整合在同一封裝中(圖4)。

雙晶片MEMS麥克風在手機市場立足之後,其他供應商又相繼推出不同方案,其中包括創新的單晶片結構。幾年前,藉由在PC螢幕邊框中放置兩個波束定向控制數位麥克風,單晶片數位MEMS麥克風已逐步滲入筆記型電腦領域,並用於網路語音通訊協定(VoIP)功能。邊框為PC中放置麥克風的理想位置,因為邊框位置較靠近用戶的發音部位,並直接面對揚聲器。如此的放置安排是合理可運行的,因為數位麥克風本身具有射頻和電磁干擾抑制能力,能允許訊號通過鉸鏈轉軸(Hinge),可接近嘈雜的處理器和無線IC,並能在一定距離上傳輸,而不必擔心引入雜訊。但對於類比麥克風,除非具有昂貴且笨重的電纜遮罩,否則如此曲折的布線是不切實際的。不過,現在單晶片方案尚未進入手機生產程序,但預期將指日可待。

單晶片MEMS麥克風架構的核心理念為,鑑於麥克風元件採用標準的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)生產、封裝和測試,成本更低;同時,由於省去打線接合,可靠性也得以提高。因此,可於同一塊晶片上整合更多功能。另一方面,單晶片架構不易適應設計的變化,因為任何訊號處理電路的修改均須對包括或鄰近MEMS振動膜的部分進行重新設計。考慮到設計靈活性,以及權衡單、雙晶片方案之間的成本,未來兩者共存可能性較大,並由市場去篩選出最終贏家。

半導體IC業者抬頭 麥克風產業大搬風

儘管較晚進入麥克風製造領域,但現在半導體IC業者已是信譽卓著的MEMS麥克風供應商。為了加入角逐的行列,IC業者一直在積極收購麥克風IC和MEMS技術,並與MEMS供應商締結供應和開發的合作夥伴關係。且麥克風製造商意識到新一波的市場重整可能即將來臨,所以也已開始與半導體公司策略性地結盟,以因應市場朝MEMS麥克風轉換的趨勢。在理想情況下,麥克風製造商所選擇的半導體合作夥伴長期內並無意成為其競爭對手。

簡言之,當前麥克風市場正出現大幅度的變化,此一風潮主要由從類比轉向數位,從ECM轉換至MEMS,並逐漸由麥克風製造商轉向矽元件供應商。這些轉換的時機受到價格、性能、可靠性和替代採購等因素的影響,因為智慧型手機推動了對差異化音訊特性的需求,而這些特性需要多個麥克風架構方能達成,也使麥克風市場邁向新一波高潮。

(本文作者為快捷資深業務發展經理)

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