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MEMS麦克风阵列

【作者: 歐敏銓】2011年03月16日 星期三

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今日的手机功能日新月异,照相、电子书、连网、游戏等应用齐集一身,然而,不管它再怎么变化,最基本的通话功能都不会改变,而且会要求不断提升使用上的音讯品质。为突显通话品质,新一代的智慧手机已开始改用先进的MEMS麦克风,而Apple手机iPhone 4 的问世,更是一个重要的里程埤,它率先内建两颗MEMS麦克风,这势必引发手机产业的跟进风潮。


「相较于传统的ECM 麦克风,MEMS 矽晶麦克风拥有许多胜出的优势。」楼氏电子总裁兼总经理马戴尔(Mike Adell)指出:「MEMS 麦克风在声音品质、尺寸、设计性及生产制造等各方面都有更佳的表现,再加上价格愈来愈便宜有竞争性,成为可携性产品的主流选择已是大势所趋。」


以竞争激烈的智慧手机来说,在功能多样又要求轻薄短小的条件下,采用微型化的MEMS麦克风元件不仅不占空间,而且有助于提升手机的性能。只要建置两颗以上的MEMS麦克风,并搭配麦克风阵列演算技术,即可减少或消除环境噪音,并有效抑制背景声音及间歇性的回音。很显然地,消费者使用手机,都希望得到最佳的通话品质。然而,并非多装几颗MEMS麦克风就能获得改善。马戴尔强调:「麦克风阵列的软体演算法才是关键。」


在MEMS麦克风的市场,楼氏电子已久居龙头地位。其SiSonic系列MEMS麦克风自2002年发布后,至今已发展至第五代产品,整个系列产品在2009年8月即已出货超过10亿颗单位。除了在MEMS技术上继续精进外,楼氏电子也同步研究麦克风阵列技术,并提出独家的IntelliSonic阵列演算方案。


马戴尔介绍指出,Intelli-Sonic 运用音讯延时(time-delay)法则来控制麦克风阵列,可以精确收到定位音源的声音,并消除或抑制不想收到的声音。更进一步来看,在整个音讯系统中会透过处理器的演算来持续锁定音源,并采波束阵列进行收音,将欲收音角度外的环境音响降到最低,同时采用自适应性噪讯滤波器来消除噪讯及回音干扰,以得到最佳的音讯输出品质。



《图一》
《图一》

「采用这类数位式的麦克风有许多好处,除了可消除类比杂讯外,更能获得优异的设计弹性。」马戴尔指出,该演算法不仅能因应环境干扰而自动调节最佳的通话音量,而且针对通话或语音指令的不同应用,可改变参数来得到最佳化的噪讯抑制效果。


不过,麦克风本身的性能不佳,再好的软体也是无用武之地。由于敏感度及相位偏差最小化的技术突破,SiSonic麦克风在使用麦克风阵列以抑制噪音及消除回音的应用上呈现最佳效果。此外,其独特的MaxRF模型可消除GSM/TDMA的突波噪讯,并提供对宽频RF的噪讯抑制功能。


除了让手机、笔记型电脑、数位相机、可携式音乐播放器和其他可携式电子设备在嘈杂的环境中提升通话及收音品质外,MEMS麦克风也有助于改善传统麦克风在系统设计及生产制造上的困难。 MEMS麦克风最大的特色之一,就是可利用微机电技术做到极为轻巧,今日的SiSonic系列已可做到8.5mm2以下的微小尺寸,而且还能愈做愈小,确实是这些可携式产品的最佳选择。


在系统设计上,相较于传统麦克风易受周遭环境的杂讯干扰,MEMS麦克风因具有独立的电源,在输出讯号时几乎不随电源的变化而变化;同时因其振膜的质量极轻,所以对外部振动的敏感度极低。此外,因为其包装结构的设计特性,使其在内部电路的延展应用上有很大的空间,一些放大电路、类比数位转换与其它的元件都可以直接与其整合为单一的麦克风包装。


在生产制造上,MEMS麦克风还具有可耐受回焊炉的高温烧烤(Reflow Profile)特性,在包装上也符合自动化取置(Automatic Pick-and-Place)装置的规格,再加上楼氏领先独创的表面黏着设计,让制造商减轻在声学、电子、机构方面的设计负担,在​​生产组装时也能省下相当可观的成本,同时能实现高性能、小尺寸的梦想。


马戴尔强调,MEMS麦克风的优势实在太多,未介绍到的还包括容易设计、配置有弹性、省电、耐热、抗振和防射频干扰性能,这些特性不仅能简化麦克风生产流程、降低生产制造成本,也能满足客户制程一贯化的要求,让产品快速上市,同时具有更佳的市场竞争力。



《图二 楼氏电子小档案》
《图二 楼氏电子小档案》

MEMS vs. ECM麦克风


传统的ECM麦克风已有数十年的历史,其工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜;相较之下,MEMS麦克风利用积体电路科技将微型机械与电子元件整合于矽晶面板的表面,体积相当微小,耗电量极低。此外,在不同温度下,MEMS麦克风所展现的性能都更为稳定,不会受到时间、温度、湿度和振动的影响。再运用ASIC提供有效的外部偏置,可在温度范围内保持稳定的声学和电气参数,并支援设计不同灵敏度的麦克风。


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