MEMS麥克風具降噪、高效能、小尺寸優勢
- DIGITIMES企劃
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隨著3C產品的尺寸越做越小，傳統零組件已遭遇勢必要進一步微縮元件尺寸，其中3C產品必備的麥克風元件，由於傳統線圈結構雖改進至電容式設計方案，得以再尺寸獲得微縮，但音質與干擾問題仍在，必須換用更新穎的設計方案來滿足新的設計需求...
MEMS(Micro ElectroMechanical System)微機電系統，指的是利用半導體製程技術來製作具電子機械功能的微型裝置，尤其是在矽基礎上進行微機械的蝕刻、建置，再包含拾取信號、取樣、轉換訊號等微處理程序，為一整合電子與機械功能的微型裝置，也可定義成一個微型的功能系統。
目前微機電系統的產品應用，大致可分為加速度計、陀螺儀、光通訊元件、壓力計...等，或針對目標應用重新利用SiP封裝，將多種功能的MEMS整合在單一元件，形成一個功能應用組件。在眾多整合應用中，近來最熱門的應用方案，即為MEMS微機電麥克風應用方案。
MEMS微機電麥克風元件 用量持續增加
根據Yole Development資料顯示，2005年全球的麥克風出貨18.4億顆，而其中MEMS微機電麥克風出貨量僅1億顆，市場滲透率5.4%；但到了2010年全球的麥克風總出貨量32.2億顆，MEMS微機電麥克風出貨達8億顆，滲透率攀升速度相當快，可以達到24.8%。快速暴增用量的趨勢，主要是由於MEMS微機電麥克風具多項超越傳統麥克風的設計優勢。
在早期的消費性電子產品設計方案中，若是動圈式麥克風產品，則必須有線圈、振動膜、永久磁鐵等三項主要結構，傳統麥克風設計為由聲音、透過振膜帶動線圈、於磁場中往復移動自線圈產生電流，透過電流放大拾取音效出來。電容式麥克風產品則減省金屬線圈與永久磁鐵，僅利用振膜與電容兩片隔板間距的往復變化，產生電壓變化，而EMC元件體積可較動圈式麥克風大幅縮小。微機電式麥可風則是將麥克風改成矽晶片製程，將拾音振膜與背極板整合在矽晶片基礎上，體積可以做到極小、又可耐高溫。
MEMS麥克風元件特性 更適用於行動裝置
MEMS微機電麥克風相較於傳統的容式麥克風，因製程與材料特性使然，使得MEMS微機電麥克風具更高的應用優勢，尤其在現有的生產型態上，微機電形式的麥克風產品，更具有量產製造優勢。即便現在使用的麥克風大多數均為傳統的ECM(Electret Condenser Microphone)電容式麥克風產品，但ECM已有逐步被MEMS取代的趨勢。
ECM電容式麥克風技術已有數十年歷史，ECM的工作原理為利用具永久電荷隔離之聚合物材料振膜，進行拾音動作，當外部聲響出現時EMC元件的振膜產生同步共振，而共振現象使得具電荷隔離之聚合物出現微弱的電容變化物理反應，而EMC的拾音線路則是將電容變化值經過放大取得外部聲響的音效資訊。
而EMC麥克風由於結構簡單、原理單純，製程相當簡單，因此元件成本可以壓到相當低的價格，但EMC的元件問題在於，EMC使用的聚合材料振膜會因為設備或置放位置的空間溫度變化而改變，加上EMC麥克風的振膜耐熱度相當低，無法承受SMT的高溫回流焊法，因此導致量產過程必須使用手工焊接方式進行EMC的裝配，這會造成額外的成本發生，也會使得量產效能降低。
基於矽製程設計方案 MEMS麥可風元件體積更小
至於採MEMS微機電設計方案的麥克風，先討論基於矽晶片的麥克風製程設計。若MEMS麥克風採矽封裝，基板厚度可以壓縮至0.05mm，終端MEMS元件封裝成品可以達到僅EMC元件25%以下的厚度，而MEMS麥克風的結構耐震度也是元件優勢之一，採MEMS製作方案的麥克風可以達到10,000G的耐震，基本上為傳統EMC的3倍表現，另在系統功耗方面，MEMS麥克風的耗電也僅EMC的25%不到。
對比於EMC為較不耐熱的元件特性，MEMS麥克風為基於矽材料製程的元件，自然可以如同一般矽晶片般可承受260°C的高溫回流焊量產程序，這代表著MEMS麥克風也可如同IC晶片走SMT自動化打件、上料、焊接，這將會大幅簡省產線的製作人力投入，即便元件成本較EMC來得高，但也可自簡省的人力投入、彈性設計方案達到成本簡省目的。
此外，在元件受溫度的影響問題方面，一般MEMS元件大多內置ASIC進行元件功能的訊號控制、濾除雜訊等功能，同時ASIC也會提供MEMS穩定偏壓，但相對於MEMS提供的穩定運行環境條件，EMC由於不需要額外偏壓，反而容易因為溫度變化、產生較不穩定的拾音環境或是變動之電氣參數，影響擷取聲音的效能與穩定表現。
MEMS麥克風的另一大優點為，拾音動作為利用矽基礎的微機電結構，以機械式的型態進行聲音擷取，這對於高集積度的終端設計，電路主板上可能佈滿類比與數位元件，甚至還有RF無線射頻元件，若是EMC元件就極易受到RF或電路雜訊影響，而MEMS拾音基礎為透過機械結構取得聲訊，在設計方案中麥克風的電路可不用擔心電子雜訊與高頻RF干擾問題。
MEMS麥克風優點多 高整合設計更省載板空間
MEMS麥克風優點雖多，但實際上屬於高難度的整合元件。首先，開發這類元件必須累積足夠的聲學處理經驗，半導體製造商多半具備較多的矽晶片製程能力，大多對聲學背景較為薄弱；除聲學核心能力外，開發MEMS元件仍須具備ASIC的設計與製造整合能力，透過功能性的組合達到MEMS麥克風的高效能表現；而最終，開發者也必須擁有封裝整合能力，讓元件產品可更容易地導入設計方案。
以微機電系統為基礎的麥克風，在iPhone帶起來的MEMS麥克風應用熱潮加溫下，可望再創出貨需求飆升狀態！尤其是Apple在iPhone 5新產品設計中，號稱已採行全新的聲學應用設計，在iPhone 5的機身正面上？後？底部分別導入MEMS麥克風設置方案，利用多麥克風的設計方式，實現較前代產品環境降噪表現更好的設計產品，進一步提升音訊品質，將可帶動周邊智慧型手機導入MEMS麥可風的應用熱潮。
尤其是過去與iPhone 4S同步推出、喧騰一時的Siri語音辨識能功能，在早期iPhone 4S平台，往往因為拾音抑噪效果有限，使得辨識語音的結果在程序前端取得的聲線就出現失真與干擾，更不用說後段利用雲端技術解譯的動作指令能有多準確了。至於多數智慧型手機，為了達到消除環境雜訊設計目的，會於手機上部前？後增加MEMS麥克風設置，等於是運用多MEMS麥克風同時自不同角度進行拾音。
而iPhone 5透過追加第三顆MEMS微機電麥克風，進而改善原有iPhone 4S的語音辨識性能，這對其他智慧型手機現有的設計方案等於形成極大的衝擊，勢必將會帶起智慧型行動裝置裝載至少2~3顆MEMS微機電麥克風的風潮，而多MEMS麥克風設計方案，不僅可以達到更高度的環境降噪應用設計，同時擴大MEMS微機電麥克風市場需求。
綜合上述，MEMS微機電麥克風與現有已廣泛使用的ECM麥克風，微機電麥克風的體積更小，元件本身可迎合消費性電子產品的輕、薄、短、小設計趨勢，尤其元件本身已具備更強的抗震、防射頻干擾、高耐熱特性，不僅能簡化麥克風於設計方案的大量生產、製作流程，更有利客戶整合產線資源，以更精簡的人力進行大量生產，提供更佳的產品成本優勢。
