硅晶麥克風(fēng)恐將取代電容麥克風(fēng)
[導(dǎo)讀]往未來(lái)看，MEMS MIC可能會(huì)朝數(shù)字化、數(shù)組化、整合化等路線發(fā)展，數(shù)字化將使應(yīng)用業(yè)者更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)；數(shù)組化則可以提升音質(zhì)；至于整合化將能讓麥克風(fēng)與眾多電子芯片一體成形，使麥克風(fēng)應(yīng)用能更大量、快速地普及……
往未來(lái)看，MEMS MIC可能會(huì)朝數(shù)字化、數(shù)組化、整合化等路線發(fā)展，數(shù)字化將使應(yīng)用業(yè)者更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)；數(shù)組化則可以提升音質(zhì)；至于整合化將能讓麥克風(fēng)與眾多電子芯片一體成形，使麥克風(fēng)應(yīng)用能更大量、快速地普及……
運(yùn)用微機(jī)電系統(tǒng)工藝所制成的硅晶麥克風(fēng)，與傳統(tǒng)的駐極式電容麥克風(fēng)有何不同？
ECM的原理是將探測(cè)到的音波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，再將電子信號(hào)透過(guò)駐極連接到具緩沖性質(zhì)(Buffer)的場(chǎng)效晶體管的閘極，以此將電波信號(hào)放大而得。
而MEMS MIC方面，內(nèi)分成微機(jī)械性的MEMS部分與微電路性的ASIC部分，MEMS部分將探測(cè)到的音波信號(hào)轉(zhuǎn)成電子信號(hào)，再將電子信號(hào)傳送到ASIC部分，由ASIC的放大器將信號(hào)放大而得。
不過(guò)這只是概略原理，實(shí)際而言MEMS MIC還必須內(nèi)建電荷泵，將工作電壓進(jìn)行調(diào)整，再將調(diào)整后的電壓供應(yīng)至MEMS部分，讓MEMS部分能執(zhí)行聲、電轉(zhuǎn)換的工作，同時(shí)ASIC部分要對(duì)外輸出已電子化的聲波信號(hào)。
進(jìn)一步的，倘若信號(hào)要以數(shù)字方式輸出，則ASIC部分還必須內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，且轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號(hào)會(huì)以串行方式輸出，這時(shí)MEMS MIC必須有外部輸入頻率信號(hào)，才能確切對(duì)外輸出數(shù)字化的電子聲波信號(hào)。如此就不僅是一個(gè)MEMS MIC，而且還是一個(gè)數(shù)字化的MEMS MIC。
MEMS MIC前途似錦
很明顯的，MEMS MIC遠(yuǎn)比傳統(tǒng)ECM復(fù)雜，甚至較昂貴，但MEMS MIC卻有著多項(xiàng)ECM所不及的優(yōu)勢(shì)，例如：可大量效率性生產(chǎn)；容易與其它功效的微電路整合；容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；能承受回流焊接；質(zhì)量一致且穩(wěn)定性高；體積小，適合用在短小輕薄的應(yīng)用設(shè)計(jì)中。
特別是「承受回流焊接」部分，IEA的MEMS MIC能承受攝氏260度的高溫而不壞損，如此在電子制造加工上具有優(yōu)勢(shì)，包括過(guò)錫爐、解焊后重焊等都不用擔(dān)心會(huì)壞損。正因?yàn)橛蟹N種超越傳統(tǒng)ECM的優(yōu)勢(shì)，因此德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)的教授，同時(shí)也是傳統(tǒng)ECM麥克風(fēng)的發(fā)明人：Sessler教授才會(huì)大膽預(yù)言：「再過(guò)若干年，人們將不再使用傳統(tǒng)麥克風(fēng)，取而代之的將全部是硅晶麥克風(fēng)(即MEMS MIC)?！?BR>
主流技術(shù)為電容式探測(cè)
前面所言為MEMS MIC的整體原理，然在此要更仔細(xì)說(shuō)明MEMS MIC的前端聲波探測(cè)技術(shù)，目前的探測(cè)技術(shù)主要有5種：電容式、壓電式、壓阻式、光學(xué)式、微流式，5種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，例如壓電式有熱飄移效應(yīng)的問(wèn)題，在無(wú)信號(hào)時(shí)其零點(diǎn)準(zhǔn)位并不精準(zhǔn)；或如壓阻式的靈敏性仍不足；光學(xué)式精度雖高但成本也高，眼前僅限于航天領(lǐng)域使用。所以，最適合大宗普及運(yùn)用的是電容式，事實(shí)上傳統(tǒng)ECM的探測(cè)原理也屬電容式。
MEMS MIC的研制流程
了解MEMS MIC技術(shù)后，IEA自己在MEMS MIC方面的實(shí)際作法又是如何呢？首先，IEA先進(jìn)行MEMS MIC的研發(fā)，包括MEMS部分的研發(fā)與AISC部分的研發(fā)，經(jīng)過(guò)各種研制、測(cè)試、驗(yàn)證后，再將確定的MEMS設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)分別交付給專(zhuān)業(yè)的芯片代工業(yè)者生產(chǎn)，生產(chǎn)出MEMS芯片與ASIC芯片。IEA取回MEMS芯片與ASIC芯片后，再自行進(jìn)行封裝及測(cè)試，一旦封裝、測(cè)試完成即可出貨給客戶(hù)。
在整個(gè)研制流程中，除了IEA自有的MEMS設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)外，封裝方面也是IEA自有的技術(shù)，對(duì)此IEA已申請(qǐng)15項(xiàng)的MEMS MIC封裝技術(shù)專(zhuān)利，相關(guān)的芯片智能財(cái)產(chǎn)權(quán)也申請(qǐng)達(dá)20項(xiàng)之多。在IEA的封裝專(zhuān)利上，許多技術(shù)是在于如何降低封裝、測(cè)試的成本，這也使的IEA的MEMS MIC的價(jià)格上擁有絕佳的競(jìng)爭(zhēng)力。
此外，用MEMS工藝來(lái)制造麥克風(fēng)，很大的一項(xiàng)誘因即是讓麥克風(fēng)的體積更為短小輕薄，現(xiàn)在IEA已能制出多種輕薄型的MEMS IC，尺寸上為4.72 x 3.76 x 1.25公厘、6.15 x 3.76 x 1.25公厘，甚至已能夠達(dá)4 x 4 x 1.25公厘的超小型境界。且在體積精縮的同時(shí)仍不失精準(zhǔn)性，在200Hz∼3kHz的頻率內(nèi)都能保有正負(fù)3dB的相對(duì)響應(yīng)。
MEMS MIC的未來(lái)發(fā)展推估
往未來(lái)看，我個(gè)人認(rèn)為MEMS MIC有以下的發(fā)展趨勢(shì)：數(shù)字化、數(shù)組化、整合化。
在數(shù)字化方面，過(guò)往MEMS IC是對(duì)外輸出模擬性的電子聲信號(hào)，往后將逐漸轉(zhuǎn)變成輸出數(shù)字性的電子聲信號(hào)，即如前述的MEMS IC內(nèi)的ASIC部分將追加模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的電路。
而數(shù)組化的發(fā)展趨勢(shì)，過(guò)去1個(gè)MEMS MIC內(nèi)只有1個(gè)探測(cè)聲波的單體，未來(lái)單體數(shù)將會(huì)增加，即是1個(gè)MEMS MIC會(huì)有2個(gè)以上的聲波探測(cè)單體，單體數(shù)愈多，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后可透過(guò)比對(duì)性演算，讓聲音質(zhì)量更為提升。事實(shí)上目前就有數(shù)組化麥克風(fēng)(Array MIC)的趨勢(shì)，只是現(xiàn)有作法是用多個(gè)封裝，每個(gè)封裝內(nèi)各1個(gè)單體來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)組化，往后將會(huì)是在單一封裝內(nèi)就實(shí)現(xiàn)數(shù)組化。
至于整合化，由于MEMS MIC在工藝尺寸上已接近集成電路、微電子電路，所以能輕易與其它功效芯片整合，未來(lái)同時(shí)性的影音通訊將愈來(lái)愈成熟普及，所以MEMS MIC很有可能與CMOS影像傳感器(CMOS Image Sensor)一并整合，或者其它相關(guān)應(yīng)用的整合，屆時(shí)MEMS MIC將不再是獨(dú)立封裝，而將會(huì)與其它電子芯片一同封裝，甚至在研制、生產(chǎn)時(shí)就實(shí)行一體性研發(fā)設(shè)計(jì)、一體性晶圓片生產(chǎn)。如此MEMS MIC將無(wú)所不在。
ECM的原理是將探測(cè)到的音波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，再將電子信號(hào)透過(guò)駐極連接到具緩沖性質(zhì)(Buffer)的場(chǎng)效晶體管的閘極，以此將電波信號(hào)放大而得。
而MEMS MIC方面，內(nèi)分成微機(jī)械性的MEMS部分與微電路性的ASIC部分，MEMS部分將探測(cè)到的音波信號(hào)轉(zhuǎn)成電子信號(hào)，再將電子信號(hào)傳送到ASIC部分，由ASIC的放大器將信號(hào)放大而得。
不過(guò)這只是概略原理，實(shí)際而言MEMS MIC還必須內(nèi)建電荷泵，將工作電壓進(jìn)行調(diào)整，再將調(diào)整后的電壓供應(yīng)至MEMS部分，讓MEMS部分能執(zhí)行聲、電轉(zhuǎn)換的工作，同時(shí)ASIC部分要對(duì)外輸出已電子化的聲波信號(hào)。
進(jìn)一步的，倘若信號(hào)要以數(shù)字方式輸出，則ASIC部分還必須內(nèi)建模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，且轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號(hào)會(huì)以串行方式輸出，這時(shí)MEMS MIC必須有外部輸入頻率信號(hào)，才能確切對(duì)外輸出數(shù)字化的電子聲波信號(hào)。如此就不僅是一個(gè)MEMS MIC，而且還是一個(gè)數(shù)字化的MEMS MIC。
MEMS MIC前途似錦
很明顯的，MEMS MIC遠(yuǎn)比傳統(tǒng)ECM復(fù)雜，甚至較昂貴，但MEMS MIC卻有著多項(xiàng)ECM所不及的優(yōu)勢(shì)，例如：可大量效率性生產(chǎn)；容易與其它功效的微電路整合；容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；能承受回流焊接；質(zhì)量一致且穩(wěn)定性高；體積小，適合用在短小輕薄的應(yīng)用設(shè)計(jì)中。
特別是「承受回流焊接」部分，IEA的MEMS MIC能承受攝氏260度的高溫而不壞損，如此在電子制造加工上具有優(yōu)勢(shì)，包括過(guò)錫爐、解焊后重焊等都不用擔(dān)心會(huì)壞損。正因?yàn)橛蟹N種超越傳統(tǒng)ECM的優(yōu)勢(shì)，因此德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)的教授，同時(shí)也是傳統(tǒng)ECM麥克風(fēng)的發(fā)明人：Sessler教授才會(huì)大膽預(yù)言：「再過(guò)若干年，人們將不再使用傳統(tǒng)麥克風(fēng)，取而代之的將全部是硅晶麥克風(fēng)(即MEMS MIC)?！?BR>
主流技術(shù)為電容式探測(cè)
前面所言為MEMS MIC的整體原理，然在此要更仔細(xì)說(shuō)明MEMS MIC的前端聲波探測(cè)技術(shù)，目前的探測(cè)技術(shù)主要有5種：電容式、壓電式、壓阻式、光學(xué)式、微流式，5種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，例如壓電式有熱飄移效應(yīng)的問(wèn)題，在無(wú)信號(hào)時(shí)其零點(diǎn)準(zhǔn)位并不精準(zhǔn)；或如壓阻式的靈敏性仍不足；光學(xué)式精度雖高但成本也高，眼前僅限于航天領(lǐng)域使用。所以，最適合大宗普及運(yùn)用的是電容式，事實(shí)上傳統(tǒng)ECM的探測(cè)原理也屬電容式。
MEMS MIC的研制流程
了解MEMS MIC技術(shù)后，IEA自己在MEMS MIC方面的實(shí)際作法又是如何呢？首先，IEA先進(jìn)行MEMS MIC的研發(fā)，包括MEMS部分的研發(fā)與AISC部分的研發(fā)，經(jīng)過(guò)各種研制、測(cè)試、驗(yàn)證后，再將確定的MEMS設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)分別交付給專(zhuān)業(yè)的芯片代工業(yè)者生產(chǎn)，生產(chǎn)出MEMS芯片與ASIC芯片。IEA取回MEMS芯片與ASIC芯片后，再自行進(jìn)行封裝及測(cè)試，一旦封裝、測(cè)試完成即可出貨給客戶(hù)。
在整個(gè)研制流程中，除了IEA自有的MEMS設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)外，封裝方面也是IEA自有的技術(shù)，對(duì)此IEA已申請(qǐng)15項(xiàng)的MEMS MIC封裝技術(shù)專(zhuān)利，相關(guān)的芯片智能財(cái)產(chǎn)權(quán)也申請(qǐng)達(dá)20項(xiàng)之多。在IEA的封裝專(zhuān)利上，許多技術(shù)是在于如何降低封裝、測(cè)試的成本，這也使的IEA的MEMS MIC的價(jià)格上擁有絕佳的競(jìng)爭(zhēng)力。
此外，用MEMS工藝來(lái)制造麥克風(fēng)，很大的一項(xiàng)誘因即是讓麥克風(fēng)的體積更為短小輕薄，現(xiàn)在IEA已能制出多種輕薄型的MEMS IC，尺寸上為4.72 x 3.76 x 1.25公厘、6.15 x 3.76 x 1.25公厘，甚至已能夠達(dá)4 x 4 x 1.25公厘的超小型境界。且在體積精縮的同時(shí)仍不失精準(zhǔn)性，在200Hz∼3kHz的頻率內(nèi)都能保有正負(fù)3dB的相對(duì)響應(yīng)。
MEMS MIC的未來(lái)發(fā)展推估
往未來(lái)看，我個(gè)人認(rèn)為MEMS MIC有以下的發(fā)展趨勢(shì)：數(shù)字化、數(shù)組化、整合化。
在數(shù)字化方面，過(guò)往MEMS IC是對(duì)外輸出模擬性的電子聲信號(hào)，往后將逐漸轉(zhuǎn)變成輸出數(shù)字性的電子聲信號(hào)，即如前述的MEMS IC內(nèi)的ASIC部分將追加模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的電路。
而數(shù)組化的發(fā)展趨勢(shì)，過(guò)去1個(gè)MEMS MIC內(nèi)只有1個(gè)探測(cè)聲波的單體，未來(lái)單體數(shù)將會(huì)增加，即是1個(gè)MEMS MIC會(huì)有2個(gè)以上的聲波探測(cè)單體，單體數(shù)愈多，轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)后可透過(guò)比對(duì)性演算，讓聲音質(zhì)量更為提升。事實(shí)上目前就有數(shù)組化麥克風(fēng)(Array MIC)的趨勢(shì)，只是現(xiàn)有作法是用多個(gè)封裝，每個(gè)封裝內(nèi)各1個(gè)單體來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)組化，往后將會(huì)是在單一封裝內(nèi)就實(shí)現(xiàn)數(shù)組化。
至于整合化，由于MEMS MIC在工藝尺寸上已接近集成電路、微電子電路，所以能輕易與其它功效芯片整合，未來(lái)同時(shí)性的影音通訊將愈來(lái)愈成熟普及，所以MEMS MIC很有可能與CMOS影像傳感器(CMOS Image Sensor)一并整合，或者其它相關(guān)應(yīng)用的整合，屆時(shí)MEMS MIC將不再是獨(dú)立封裝，而將會(huì)與其它電子芯片一同封裝，甚至在研制、生產(chǎn)時(shí)就實(shí)行一體性研發(fā)設(shè)計(jì)、一體性晶圓片生產(chǎn)。如此MEMS MIC將無(wú)所不在。
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