適應性波束成形演算法主動式噪音消除微機電麥克風 MEMS ECM ANC

語音控制風潮擴大　微機電麥克風進駐手機/車機

2014-04-14

陳建銘/陳弘仁/毛俊凱

微機電麥克風將快速在行動裝置、家用聯網設備及車載系統應用崛起。隨著語音控制技術發展增溫，具備高訊噪比、高靈敏度及寬頻率響應功能優勢的微機電麥克風也日益受到青睞，可望擴大進駐各種電子系統。

圖1　全球微機電麥克風出貨量預測

微機電系統(MEMS)麥克風是微機電元件導入市場應用中最成功的例子之一。由於人類最有效的溝通方式是說話，故透過聲音與裝置互動的革命正如火如荼展開。隨著市場及技術演進，微機電麥克風需求將急速擴大並開啟新的商機。

微機電麥克風嶄露頭角

圖2　智慧電視導入語音控制的需求湧現，將帶動微機電麥克風出貨量。

根據市場研究機構IHS iSuppli的統計數據顯示，受惠於手機、筆記型電腦、免持聽筒耳麥、平板裝置等產品的強勁需求，2012年微機電麥克風出貨量增加57%，而2013年更可進一步成長30%，出貨量由2012年的20.5億顆增加至26.6億顆以上(圖1)。

圖3　車廠為導入語音控制功能，對高品質的MEMS麥克風的需求將更加殷切。

IHS iSuppli也預期，微機電麥克風市場至少在接下來的2～3年內，還會呈現兩位數字的成長，發展到2016年，出貨量規模將可達46.5億顆。微機電麥克風市場營收也將同步成長，由2012年的5.82億美元，攀升至2016年的10億美元。

依應用市場區分，微機電麥克風應用範圍包括手機、筆記型電腦、平板電腦等，其中以手機應用為市場成長的主要驅動力，而平板電腦則是成長性最快的市場。

根據IHS iSuppli分析預測，麥克風將持續成為MEMS元件中表現最亮眼的應用市場之一。除了進駐迅速成長的手機、筆記型電腦、耳麥與平板裝置等終端產品，微機電麥克風也會在遊戲機、攝影機、電視與助聽器等應用領域小有斬獲(圖2)；且預期將進軍機上盒產品，並在接下來3年跨足汽車市場(圖3)。

取代傳統駐極體電容式麥克風

微機電麥克風相較於傳統的駐極體電容式麥克風(Electret Condenser Microphone, ECM)，因製程與材料的特性關係，使得微機電麥克風具更高的應用優勢，尤其在現有的生產製程上，微機電麥克風更具有大量生產的製造優勢。即便現在所使用的麥克風大多數仍為傳統的駐極體電容式麥克風產品，但駐極體電容式麥克風已有逐漸被微機電麥克風所取代的趨勢。

目前手機仍是微機電麥克風的最大宗應用。根據IHS iSuppli統計，手機內的微機電麥克風滲透率在2012年達到69%；該數字在2011年與2010年分別為52%與38%，預期隨著微機電麥克風單價下降，滲透率將會再逐步提高。

使用多顆麥克風　取得更佳聲音品質

隨著語音辨識的功能需求愈來愈大，多顆麥克風現在也被越來越多智慧型手機所應用，為的就是達到噪音抑制的效果，並消除週遭環境的聲音對智慧型手機語音辨識功能的影響。因此，每支手機中所搭載的麥克風數量也呈現成長趨勢。

IHS iSuppli指出，目前大多數中、高階手機都配備兩組以上的微機電麥克風，不僅清晰音質受到更大重視，尤其是因為手機的用途不再只是打電話，而是可以勝任多種工作，比如聽音樂或錄影。

實際上，聲學特點仍然是手機廠商可以讓自己的手機別具特色的少數手段之一。例如，諾基亞(Nokia)Lumia智慧手機強調其音頻性能與高清錄音，並將這個特點做為此款手機的重要特色。2年前，蘋果(Apple)在iPhone 4S中推出Siri這項語音控制功能，並在隨後用於iPhone 5和蘋果的其他系列產品之中，比如第五代iPod touch音樂播放器和iPad第四代平板電腦。

蘋果的Siri語音控制功能是一項重要突破，對於微機電麥克風的意義更是重大。雖然語音控制這項技術在10多年前就已出現，但現今Siri證明可以利用多顆微機電麥克風來實現這一項語音控制與辨識的功能。

此外，手機採用更多的麥克風，也改善了手機的錄影音效功能。例如，iPhone 5採用了亞德諾(ADI)做為其第三顆麥克風，目的是為了增強錄影時的收音品質。在未增加第三顆麥克風以前，iPhone是使用兩個分別來自樓氏電子(Knowles Electronics)和瑞聲聲學(AAC)的微機電麥克風。

自從蘋果推出支援高畫質(HD)視訊錄影功能的iPhone 5以來，三顆麥克風已然成為智慧型手機標準配備。而隨著語音辨識技術愈趨成熟，除智慧手機外，平板電腦、電子書、筆記型電腦、車載系統開發商，皆已開始增加微機電麥克風的採用顆數，以提供高品質語音辨識功能。

借力多顆麥克風強化噪音抑制

圖4　多顆麥克風噪音抑制演算法應用

先進的語音控制與感測應用，在於整合多顆麥克風實現主動式噪音消除(Active Noise Cancellation, ANC)技術；應用上除了原先的語音麥克風外，多了另外兩顆麥克風，一顆接收環境雜音，可以過濾雜音得到更純化的聲音品質，另一顆利用適應性波束成形演算法(Adaptive Beam-forming Algorithm)的背景噪音消除技術，提高聲音清晰度及語音辨識能力。

由於噪音抑制技術有助於提升產品使用體驗，因此可以預期未來在智慧型手機上，使用三至五顆麥克風將會是常態。同時在系統應用上，不管立體聲或是模擬杜比音效都需要左右各一顆接收聲音的麥克風，趨勢上是內建在攝像頭的兩側(圖4)。

微機電麥克風加速演進

事實上，微機電麥克風強勁的市場成長性，主要驅動力還是來自其相較於傳統麥克風能擁有更多技術優勢。底下將針對微機電麥克風的技術演進趨勢逐一介紹。

產品效能持續提升

產品效能的提高，包含訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)、電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR)、頻寬及動態範圍皆大有精進。

‧	訊噪比更優異
	在智慧手機的免持聽筒與視訊通話應用中，高訊噪比是相當重要的需求規格；夠高的訊噪比最終甚至可以取代頭戴式耳機的應用，同時也能以較長的距離使用Skype語音通訊軟體。據悉，現在的微機電麥克風主流規格約為59?62dB，而系統廠商的目標規格是66dB。
‧	電源抑制比提升
	目的是為了簡化電源與語音管理架構，以及改善語音品質並進而促使新的應用產生，例如讓用戶能用一個簡單的語音命令喚醒他們的電話功能。
‧	頻寬及動態範圍升級
	從現在的6k～7kHz提高至15kHz，目標是希望在智慧手機及攝錄影機能進行高品質的錄音與播放，甚至開創新應用。

圖5　樓氏電子微機電麥克風演進

為了達到效能的提升，在感測器部分也做了不少改進，以增加感測器的聲學特性。以蘋果iPhone 5為例，其所採用的微機電麥克風供應商之一樓氏電子(Knowles Electronics)為了提升麥克風的訊噪比效能，將原感測器結構改成為四顆串連設計，如圖5所示。

圖6　英飛凌微機電麥克風演進

而另一間供應商瑞聲聲學採用英飛凌(Infineon)的感測器裸晶進行封裝，其感測器同樣為了提升麥克風的訊噪比效能，將感測薄膜設計從圓周拘束(Circular Clamped)設計改為皺摺彈簧(Corrugated)結構設計，藉以提升靈敏度並縮小感測器及晶粒尺寸(圖6)。圖7為其感測薄膜設計示意圖與掃描式電子顯微鏡(SEM)圖。