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MEMS麥克風供需持盈保泰 網紅應用利基顯形
拓展無線化、數位化與自動降噪產品開發之路

【作者: 吳雅婷】   2020年03月31日 星期二

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在網路普及化的時代,人人都可能成為網紅。而隨著網路和消費性電子產品的性能逐步升級並普及,直播和影音串流成了自媒體內容創作的重要媒介。因此,更真實、更即時且更輕便的音訊傳輸將成為一大需求,已臻成熟的MEMS麥克風技術便是網紅利基市場的重要科技推手。


MEMS技術自1980年代著手開發,至今已近40年了。其應用領域廣泛,常見於各式感測器,在智慧物聯網時代,更將擴展至智慧工廠、智慧家庭和智慧交通等多元場域。而這項發展已臻成熟的跨領域技術,市場仍持續增長中,尤其在5G商用的情境下,MEMES技術亦將用於射頻模組,推升另一波市場增長。


根據國際半導體協會(SEMI)2019年時預測,MEMS與感測器市場的產值至2024年將接近翻倍,自2018年的480億美元成長至930億美元。此外,全球產能也將大幅成長,至2023年成長率估計會高達25%。


其中,台灣的產能已在2018年排名世界第二,由台積電領頭,在全球MEMS與感測器晶圓廠的產值中排名第五。而國家產值排在台灣前面的是日本。SEMI預估,兩國將維持全球領先地位至2023年。



圖一 : 全球MEMS與感測器產能將持續成長,至2023年估計高達25%。(source:semi.org)
圖一 : 全球MEMS與感測器產能將持續成長,至2023年估計高達25%。(source:semi.org)

MEMS元件之所以持續穩健成長,便是因為其技術特點帶來的製造和應用優勢。MEMS技術結合了半導體製程和機械結構設計,因此能夠打造出精密小巧的感測或制動元件,例如噴墨列印頭、陀螺儀、加速器和壓力感測器等。


而這項技術應用在音訊處理上,就能實現具備成本效益的量產、元件微型化,以及建置多個麥克風的系統佈局。這也呼應了網紅時代中影音串流和直播應用的蓬勃發展,一方面,5G將滿足網路速度與節點數量的需求,另一方面,MEMS麥克風將助力消費性電子產品的開發加速並走向多樣化,成為市場產值增長相輔相成的重要科技推手,在這波網紅經濟中推波助瀾。


2019年,市調機構Yole Developpement便指出,MEMS麥克風的產值將自2018年的12億美元,以年均複合率6.3%增長,至2024年達到16億美元。



圖二 : MEMS麥克風市場的產值持續成長,至2024年將達到16億美元。(source:yole.fr)
圖二 : MEMS麥克風市場的產值持續成長,至2024年將達到16億美元。(source:yole.fr)

該產值成長很有可能將由3C產品的市場需求驅動。據市調機構Grand View Research統計,2018年亞太區的MEMS麥克風產值有約六成來自智慧型手機與其他消費性電子產品。面對自媒體時代,如何迎向大眾對產出高品質影音創作的期待,將引領MEMS麥克風市場持續擴張,甚至發展出專用於網紅的利基市場,三大應用趨勢為數位化、無線化與自動降噪。


音訊輸出介面數位化 醞釀產品開發彈性與高效率

在麥克風系統採用MEMES技術之前,駐集體電容式( electret condenser microphone;ECM)主導了麥克風市場近半個世紀。隨著語音辨識、自動降噪等智慧化功能逐步進駐行動裝置,MEMS麥克風的特點將成為絕對優勢。


首先,就每單位信噪比(signal-noise ratio;SNR)而言,MEMS麥克風元件表現較佳,其採用半導體製程,封裝尺寸小,且SNR隨著製程與結構設計優化將持續提升。再者,MEMS元件能耐住高溫製程,在系統穩定性方面亦可圈可點。


結合上述優點,可以發現,採用MEM技術的麥克風製造不僅量產彈性大,更提供產品開發的更多可能性。在語音辨識或自動降噪應用中,多個麥克風的系統佈局也因而得以實現。


目前MEMS麥克風的輸出介面可分為數位和類比,且前者的開發潛能持續走強,數位介面很有可能成為主流。



圖三 : 採用數位介面的MEMS麥克風系統將類比訊號(聲波),先進行低通濾波(low-pass filter),再將訊號傳至取樣保持電路(sample and hold),完成AD轉換及後續雜訊處理。(source:dpamicrophones.com)
圖三 : 採用數位介面的MEMS麥克風系統將類比訊號(聲波),先進行低通濾波(low-pass filter),再將訊號傳至取樣保持電路(sample and hold),完成AD轉換及後續雜訊處理。(source:dpamicrophones.com)

一來,目前電子產品的運算處理與輸出多半採用數位訊號,對電子裝置來說,在進行系統整合與連接時,數位介面更為實用,也能節省轉換成本。二來,數位輸出介面在運算端到輸出端的過程中,訊號僅經過數位電路內部,因此受到外在環境雜訊影響的程度也會相對較低。將數位介面用於具備電路較複雜或長距傳輸的裝置,信號較不易失真。


比聲速還快的無線傳輸 實現行動應用與降噪功能

除了輸出介面數位化之外,無線化便是繼消費性電子產品行動化後的下一步進展。真無線藍牙耳機(true wireless stereo;TWS)便是近期掀起的新興無線產品浪潮之一,以往多半在專業錄音和電競應用才相對重視的麥克風技術,正快速蔓延至一般科技消費者的日常生活中,MEMS麥克風的重要性也因此再度提升。


而無線設備的設計不僅需考量訊號傳輸品質問題,功耗與性能穩定性也是重點。後兩者在MEMS技術的精進下,可以透過微縮化與系統設計優化,而訊號傳輸品質問題則可以透過主被動降噪解決。


被動降噪就是物理降噪,麥克風可透過吸音材料,降低環境噪音對音訊的干擾;而主動降噪為軟體降噪。麥克風將聲波轉成電訊號,轉換過程中可以善用類比訊號或數位訊號進行雜訊處理,在聆聽者接收到聲音前,利用演算法產生與雜音相反的波形,進而削減甚至消除環境噪音。


然而,主動降噪從接收音訊、分析雜訊到輸出調整後的音訊,必須歷經一段感測與運算的時間。無線耳機卻是短距傳輸,因此,麥克風需在幾十微秒內將音訊處理完畢,這很難達成,尤其是高頻音訊,可能只能透過選用吸音材料,實現降噪功能。


對此,美國伊利諾大學研究團隊提出了一種軟體降噪的解決方案,利用的便是無線傳輸速度快的特點。他們開發出一套主動降噪系統「MUTE」,運用LANC演算法(Lookahead Aware ANC algorithm),能趕在環境噪音傳到耳朵前接收噪音,並透過Wi-Fi將雜訊資料連接至麥克風上的DSP,提前進行主動降噪。


這套系統的發想便是該團隊發現無線傳輸速度比聲速快上100萬倍,因此可以在近噪音源側設置麥克風,預先擷取環境噪音,以提升降噪效率。而結果顯示,MUTE在高頻音訊方面的降噪性能明顯提升。


由此可見,麥克風設計隨著科技發展遷化,而MEMS技術在系統設計上的高彈性與相容度,將促使MEMS麥克風應用堆疊出更多元的附加功能,並激勵開發者創新,提出結合多面向的解決方案。


行動裝置應用必須面對的難題:ESD與TDMA噪音

隨著網路朝向高速發展,以及晶片尺寸持續微縮,消費性電子應用也隨之走向行動化,但要將MEMS麥克風用於行動裝置,就必須面對靜電放電(electrostatic discharge;ESD)與多時分工(time division multiple access noise;TDMA)噪音的問題。


首先,是ESD問題,亦即當不同靜電電位的物體相互靠近時會產生電荷轉移的現象。而麥克風特別容易頻繁歷經自裝置插入或拔取的過程,當接上帶電插頭時,ESD便會產生。由於行動裝置中的IC運作電壓相對較低,ESD可能會折損元件性能,甚至嚴重破壞電路;再加上麥克風設計須考量聲學腔體結構,晶片上會預留讓聲波傳遞的孔洞,ESD便可能從該音孔進入。


為了保護電路,便要採取措施抑制ESD。舉例來說,建立TVS二極體保護電路就能實現ESD保護功能。該電路結合雙向TVS二極體及電容,在出現突發脈衝或ESD時,能將該電流導至地面,避免破壞晶片。


另一個方法則是以變阻器取代保護電路,好處是可以縮小安裝面積及製造成本。日本零組件製造商TDK表示,在智慧型手機音頻線採用變阻器,最多能減少90%的安裝面積,且能提升麥克風靈敏度。



圖四 : 以變阻器取代TVS二極體保護電路能減少安裝面積,甚至提升麥克風靈敏度。(source:tdk.com)
圖四 : 以變阻器取代TVS二極體保護電路能減少安裝面積,甚至提升麥克風靈敏度。(source:tdk.com)

MEMS麥克風應用在行動裝置時的另一個常見問題則是TDMA噪音。由於行動裝置的無線電頻寬有限,系統往往將頻帶以固定時距切割,進而允許多個訊號在多個時間通道或頻率通道傳輸。


然而,行動裝置需收發的訊號多元,例如Wi-Fi或射頻訊號,且行動裝置元件佈建緊密,天線與麥克風距離較近,這些高頻通訊訊號便有可能被麥克風接收,因而產生噪音,這些噪音就是TDMA噪音。這時,濾波器就可以用來解決此問題。


結語

雖說MEMS麥克風技術並非創新技術,但隨著科技應用持續更新,它也跟著進化,甚至可能帶來新的應用變革,提供諸如網紅等新興應用有力的發展資源,共同創造更大的市場與經濟價值。值得期待的是,這項技術發展成熟,在軟硬體供應鏈上已形成完整生態系,可望提供高速及具備雄厚技術深度的發展動能,持續邁向數位化、無線化和高品質音訊傳輸。


**刊頭圖(source:consummerreports.org)


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