物聯網慧眼識「音」雄　MEMS麥克風身價看漲

微機電系統(MEMS)麥克風市場叫好又叫座。行動裝置品牌廠掀起一波全高畫質(FHD)、2K及4K顯示螢幕轉換潮後，MEMS麥克風供應商也看好高清晰度(HD)語音功能將成為下一個布局重點，加緊卡位。

事實上，蘋果(Apple)、三星(Samsung)最新旗艦手機皆已將麥克風安裝數量推升至三顆以上，下一代機種更計畫再添一至兩顆，以兼容HD語音、環境消噪、特定雜訊濾除、指向性收音和語音辨識等先進功能。

除於行動市場的規模可望倍增外，MEMS麥克風亦正搭上語音辨識熱潮，大舉在穿戴式電子、智慧家庭、工業自動化(Industrial Automation)和聯網汽車等物聯網應用領域攻城掠地，可望創造另一波成長高峰。以亞馬遜(Amazon)為例，近期即推出智慧家庭聲控設備，並一舉導入七顆MEMS麥克風，讓使用者在家中各個方位皆能下達聯網和影音操作的語音指令；至於工控設備和聯網汽車全面引進語音辨識功能的討論聲浪更是甚囂塵上，在在刺激MEMS麥克風需求增長。

儘管行動和物聯網裝置內建麥克風的數量明顯攀升，但相對地系統設計空間和功耗預算卻更加吃緊；為爭取系統廠青睞，樓氏電子(Knowles)、Akustica、意法半導體(ST)和應美盛(InvenSense)等大廠，以及美律、鑫創和鈺太台系供應商，無不加足馬力改良聲學感測結構、封裝方案，並祭出高整合設計策略，以打造微型、省電的下世代MEMS麥克風。

功能整合度翻升　MEMS麥克風開創新「聲」活

圖1　樓氏電子全球行銷副總裁Ole-Petter Brusdal(右)認為，聲學感測還有許多創新應用等待發掘。左為樓氏電子產品線經理Bertrand Renaud

鎖定手機與穿戴式裝置常時啟動的情境感知(Context Awareness)應用，MEMS麥克風開發商正加緊研發更低功耗、更高功能整合度的新方案；其中，樓氏電子不僅已發布整合受話器、揚聲器和射頻(RF)天線的模組，還研發出能接收超音波訊號的方案，可實現手勢辨識等創新應用。

樓氏電子全球行銷副總裁Ole-Petter Brusdal(圖1右)表示，行動裝置影音、聲控人機介面規格快速升級，加上新興穿戴式電子對系統元件功耗和占位空間的要求更加嚴苛，皆為MEMS麥克風帶來全新的設計挑戰，相關晶片供應商無不戮力研發高整合度、多功能、小尺寸且低功耗的解決方案，以滿足市場需求。

以智慧型手機為例，隨著旗艦機種全面引進高畫質顯示螢幕，系統廠也希望同步提升內建語音功能，開始擴大導入更靈敏且支援HD音訊、語音辨識的新型麥克風，引爆一波元件換新潮。Brusdal進一步指出，為實現主動噪音消除(Active Noise Cancellation)、指向性收音和特定語音增強(Audio Zoom)等先進行動語音應用，手機廠紛紛將麥克風安裝數量推升至三到四顆以上，因此對元件尺寸、功耗和系統布局有更進一步的要求，刺激MEMS業者相繼祭出高整合設計方案。

樓氏電子產品線經理Bertrand Renaud透露，由於MEMS麥克風多放置於手機上方或下方，與天線位置相近，因此樓氏與天線開發商合作，打造出內建MEMS麥克風、受話器(Receiver)、揚聲器(Speaker)和基頻通訊天線的整合型語音方案模組，不僅預先改善RF訊號干擾問題、大幅縮減占位空間，亦可濃縮多個元件的測試和PCB組裝程序，進而加快終端產品研發及上市速度。

此外，Brusdal提到，樓氏新一代MEMS麥克風還能結合超音波(Ultrasonic)感測技術，實現近接偵測(Proximity Detection)、手勢辨識等創新應用功能，將能取代行動裝置既有的近接感測器，達成手機通話時螢幕自動關閉的節能機制；而系統業者也毋須增加鏡頭和影像處理方案的成本，就能引進手勢人機介面，讓產品功能更吸睛。

針對穿戴式電子語音辨識設計，業界則發展出內建I2S介面的MEMS麥克風。Renaud強調，相較於以往數位麥克風後端仍須搭配一顆音訊編解碼器(Codec)，再透過I2S將聲音資訊傳輸至處理器的方式，新一代I2S MEMS麥克風可直接串連處理器，減少訊號鏈的元件需求，進而節省系統功耗和空間。

物聯網裝置安裝數量遽增　MEMS麥克風規格升級聲聲催

圖2　意法半導體技術行銷經理蘇振隆提到，筆電和手機廠正加速從傳統類比麥克風轉向MEMS數位麥克風設計。

事實上，隨著手機硬體規格日益成熟，品牌業者也開始思考新的產品策略，期以全新的系統架構和零組件規格再掀高潮；其中更有一線大廠喊出將搭載十顆MEMS麥克風，將行動語音推升至全新境界的計畫。

意法半導體技術行銷經理蘇振隆(圖2)表示，數位式MEMS麥克風，可突破傳統類比方案諸多設計限制，但也因為是全向性收音，要具備更靈活的指向性應用，就須透過多顆麥克風共同實現，並分別負責雜訊抑制、波束成形(Beamforming)或特定語音放大等功能，因而也驅動系統廠不斷增加安裝數量。

對MEMS晶片商而言，系統內建麥克風數量大增已使縮減麥克風尺寸和功耗成為當務之急，因此須持續開發新一代製程、封裝及控制電路架構，以大幅提高麥克風收音和抗雜訊性能，進而滿足下世代產品設計需求。

蘇振隆認為，行動及物聯網裝置語音功能的優劣，關鍵還是回歸到麥克風設計品質，而靈敏度、訊噪比(SNR)，以及動態頻率響應範圍(Dynamic Frequency Range)則是三大評估指標，並與麥克風製程、封裝和電路設計息息相關，刺激相關晶片商傾力發展新技術。

蘇振隆透露，意法半導體已開發出MEMS麥克風聲孔上封裝(MEMS-On-Sound)技術，以及麥克風感應層和音訊控制電路的堆疊技術，不僅能實現業界領先的2毫米(mm)×3毫米尺寸，同時達到目前MEMS麥克風最佳的聲壓位準(SPL)和64dB的SNR表現，可望在市場上脫穎而出。

此外，意法半導體亦發展出兼具監聽(Sniffing)與正常(Normal)兩種模式的雙模MEMS麥克風，可在裝置大部分的待機時間中，以低功耗的聲音監聽模式運行；裝置進入工作狀態後，則可立即切換至正常模式，提高聲學參數(Acoustical Parameter)表現，以因應HD音訊、語音辨識等功能操作需求。

與此同時，蘇振隆強調，每顆麥克風的一致性亦相當重要，一旦誤差過於明顯，勢將影響語音資訊擷取的精準度，將大大考驗晶片商的製程變異性控制能力，以及聲學參數的調校功夫。對此，意法半導體已計畫引進經驗證的THELMA製程技術，以確保麥克風感應層的靈敏度和穩定性，同時也將透過自行設立的麥克風測試實驗室，加強聲學表現的驗證。

另一方面，考量系統增加多顆麥克風引發的物料清單(BOM)成本壓力，業界也致力發展更低成本的MEMS麥克風解決方案，以協助系統廠持續提高產品性價比。

強打複合背板結構　工研院另闢低成本麥克風戰場

圖3　工研院南分院微系統中心特別助理陳弘仁指出，目前工研院MEMS麥克風製程已可達到90%良率。

工研院南分院微系統中心特別助理陳弘仁(圖3)表示，MEMS麥克風不僅已逐漸成為行動裝置標準配備，亦將在未來的物聯網語音辨識系統中扮演關鍵角色；然而，隨著行動和物聯網市場規模持續壯大，並朝平價方向發展，系統廠對內建元件成本的降價要求也日益強烈，因而驅動MEMS麥克風供應商和技術研究機構競逐更低成本的製程方案。

陳弘仁分析，MEMS電容式麥克風係當前主流技術，由振膜(Membrane)和背板(Backplate)兩片導電板組成電容反應結構，隨著聲壓的變化產生不同訊號。然而，現階段大多晶片商皆採行兩片導電板分開製作的方式(圖4)，不僅增加製程工序和組裝難度，亦可能引發應力和溫度變異性差距太大的問題，以致影響良率及成本。

為克服此一問題，工研院南分院遂投入開發全新的麥克風感測層結構，並已成功實現複合式背板製程，可同時製作兩片導電板，大幅精簡製程複雜度。舉例來說，一線MEMS麥克風供應商的產品製程，皆須經過十一到十三道光罩製程，而工研院南分院微系統中心的專利結構僅須八道，將顯著降低成本。

圖4　市場主流MEMS麥克風晶片架構圖

陳弘仁透露，目前該技術已進入量產可行性驗證階段，並開始接獲技轉合作需求，將有助國內MEMS晶片業者加速突圍國際大廠的專利壁壘，並逐漸打破MEMS麥克風市場由少數廠商寡占的局面。

據悉，美律、鑫創科技和鈺太科技等台灣晶片商，皆正積極耕耘MEMS麥克風技術，可望在2015年後陸續展示產品研發成果，並揭櫫進一步的量產計畫。

隨著MEMS麥克風出貨量日漸擴大，晶片性價比將成為廠商在市場上決勝的關鍵，因此，工研院南分院在研發低成本製程的同時，亦致力布局麥克風控制電路降噪技術，以及完善的封裝開孔結構。陳弘仁更強調，除了半導體技術外，MEMS麥克風牽涉複雜的機械結構和聲學效應，而國內業者面臨的最大挑戰就是整合兩種截然不同的生產經驗，還須歷經一段學習曲線。

顯而易見，鎖定行動和物聯網語音應用商機，MEMS晶片商已將麥克風市場視為新的迦南美地，包括老將新秀皆頻頻卡位，可望掀動新一波產品規格競賽，並刺激各種新興製程、封裝和控制電路技術加速問世。