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飞兆半导体资深业务发展经理 Bill Boldt
每年手机和其它移动应用设备所使用的麦克风总数量巳超过十亿个,而且预计在2011年将会突破二十亿大关,在不久之后更可望直逼三十亿.对于麦克风庞大且不断增长的使用量,使得业界频频对新麦克风技术进行投资,这些新技术能够提高性能,增强可制造性,缩小尺寸并降低生产成本.
从上述数字可以明显看出,麦克风的数量将远超过手机数量.个中原因相当明显,因功能强大的智能手机日益流行,而每款手机需要一个以上的麦克风来进行音频处理,例如回音消除、噪声消除、风切声过滤、波束定向控制、立体环绕声等.随着各手机厂商为了增加自身产品的差异性,而竞相采用更复杂先进的音频特性,如此的声音处理需求也变得渐趋普及.当前移动麦克风有两种变迁趋势,首先是从模拟到数字,其次为由电容式麦克风(ECM)到微机电系统(MEMS)麦克风.
智能手机推波助澜MEMS时代已然来临
多年来,制造商一直致力于提高ECM的性能,如灵敏度、信噪比(SNR)和回流焊.模拟数字转换器lC,尤其是那些专门为基于MEMS麦克风而设计的模拟数字转换器lC,在提高麦克风性能方面居功至伟.
至于MEMS麦克风,其市场经历过一波又一波的发展浪潮.第一波浪潮在2002年,由采用MEMS麦克风的图标式手机(Iconic Cell Phone)引领.而2005～2Q08年,新MEMS麦克风面世,也带动第二波浪潮并挑战上一代产品,但成效有限,影响不大.
第三波即将来临的浪潮却有着改变一切的潜力,因为随着麦克风转变为完全由半导体生产设施,如晶圆厂、封装和测试等制造出的纯粹半导体产品,传统麦克风供应商可能被主流半导体制造商所取代.如此的转换浪潮是由手机制造商所推动,其希望将麦克风视为半导体元件进行采购,并能够如同半导体元件一般焊接于电路板上,论文范文也可比照半导体元件,并且由口碑良好的半导体供货商来供应.
由芯片公司来供应麦克风产品,可减少手机制造商的供货商数量.由于在手机供应链的每一环节上,普遍都存在着激烈的论文范文大战,也正在推动着中间环节的消失,在此,即是指麦克风制造商,若减少供货商的数量,可让手机制造商有更多的论文范文优势.此外,它还避免了一层利润剥削,从而进一步降低产品论文范文.而大批量手机公司的十足购买力也使供应链中的此一重大转变极有可能达成.
MEMS麦克风市场的另一个推动力量是终端客户对更高性能的需求.数字技术固有的射频(RF)和电磁干扰(EMI)抑制能力有助提供波束定向控制、立体空间化和噪声／回音消除等功能,从而提高性能.因此,这些进阶功能都被整合于智能手机平台中.由于数字麦克风是增强功能所必需,故智能手机的增长即直接意味着数字麦克风数量的攀升,特别是每款智能手机所用的麦克凤数量并不只一个.
随智能手机越来越受到欢迎,过去仅有昂贵手机才具备的功能将向下朝低阶市场的平价手机延伸,而数字麦克风也越来越倾向于采用MEMS,未来将不再局限于高阶的智能手机.ECM麦克风设计架构
ECM麦克风主导麦克风市场的时间已长达50年.目前,用于移动应用装置的ECM麦克风已开始在麦克风外罩内整合接面场效晶体管(JFET)放大器.图1显示了传统模拟JFET-ECM的基本结构.
JFET放大器具有低功耗与简单的优点,但其线性度不佳,而且在嘈杂环境中工作性能较差.这是因为模拟麦克风在模拟数字转换之前易引入干扰,并在干扰后才进入信号路径.因此,在麦克风的外罩中适当整合一个模拟数字转换器,形成一个“数字”麦克风是很明智的做法.现在,飞兆(Fairchild)等半导体供应商采用于同一块lC基板上整合模拟数字转换器的作法,以作为ECM麦克风的放大器.
目前,为支持智能手机、平板电脑、移动个人电脑(Mobile PC)和耳机等产品的中高阶功能,业者需要更高性能的麦克风,而这种需求也带动数字ECM麦克风市场的发展.现在,市面上已经有厂商推出在模拟数字转换器(ADC)上采用四阶∑-△(Sigma-delta)调制解调器,信噪比优于60.5dB的麦克风IC,且进一步提升性能的产品也已在开发中.图2、3的模组示意图及麦克风横截面图提供数字麦克风lC的架构,并显示实际ECM麦克风外罩中芯片相对于ECM麦克风振动膜(Diaphragm)的正确位置.
ECM麦克风振动膜是以驻极体(Electrets)材料制成,此材料通常为某种论文范文物,且其上分布有自由电荷.充电时,振动膜的运动会改变电场,将声音转换为电信号.与此相反,MEMS麦克风的硅振动膜则为电荷中性,故必须进行外部电压偏置,如使用电荷泵浦来产生换能电场.因此,MEMS麦克风IC可以看作是一组ECM麦克风IC与电荷泵浦的超集(Superset).目前,由于振动膜和IC组装不同,ECM和ECM麦克风的最终封装结构也有非常大的差异.MEMS麦克风一般采用矩形封装,而ECM麦克风主要为圆柱形,不过此为大概情况,不一定均为如此.
MEMS麦克风设计架构
MEMS麦克风市场经历了一个演进的过程,其始于双芯片模拟MEMS麦克风,结构包含一个作为机械麦克风振动膜的芯片,以及另一个在模拟麦克风的情况下被当作放大器,或在数字麦克风的情况下当作放大器+ADC的芯片.麦克风振动膜和放大器IC或放大器+ADC IC采用打线接合,共同整合在同一封装中（图4）.
双芯片MEMS麦克风在手机市场立足之后,其它供货商又相继推出不同方案,其中包括创新的单芯片结构.几年前,藉由在PC屏幕边框中放置两个波束定向控制数字麦克风,单芯片数字MEMS麦克风已逐步渗入笔记本电脑领域,并用于网络语音通信协议(VoIP)功能.边框为PC中放置麦克风的理想位置,因为边框位置较靠近用户的发音部位,并直接面对扬声器.如此的放置安排是合理可运行的,因为数字麦克风本身具有射频和电磁干扰抑制能力,能允许信号通过铰链转轴(Hinge),可接近嘈杂的处理器和无线IC,并能在一定距离上传输,而不必担心引入噪声.但对于模拟麦克风,除非具有昂贵且笨重的电缆屏蔽,否则如此曲折的布线是不切实际的.不过,现在单芯片方案尚未进入手机生产程序,但预期将指日可待.
单芯片MEMS麦克风架构的核心理念为,鉴于麦克风元件采用标准的互补式金属氧化物半导体(CMOS)生产、封装和测试,成本更低；同时,由于省去打线接合,可靠性也得以提高.因此,可于同一块芯片上整合更多功能.另一方面,单芯片架构不易适应设计的变化,因为任何信号处理电路的修改均须对包括或邻近MEMS振动膜的部分进行重新设计.考虑到设计灵活性,以及权衡单、双芯片方案之间的成本,未来两者共存可能性较大,并由市场去筛选出最终赢家.
半导体IC业者抬头 麦克风产业大搬风
尽管较晚进入麦克风制造领域,但现在半导体lC业者已是信誉卓著的MEMS麦克风供货商.为了加入角逐的行列,IC业者一直在积极收购麦克风IC和MEMS技术,并与MEMS供货商缔结供应和开发的合作伙伴关系.且麦克风制造商意识到新一波的市场重整可能即将来临,所以也已开始与半导体公司策略性结盟,以因应市场朝MEMS麦克风转换的趋势.在理想情况下,麦克风制造商所选择的半导体合作伙伴长期内并无意成为其竞争对手.
简言之,当前麦克风市场正出现大幅度的变化,此一风潮主要由从模拟转向数字,从ECM转换至MEMS,并逐渐由麦克风制造商转向硅元件供货商.这些转换的时机受到论文范文、性能、可靠性和替代采购等因素的影响,因为智能手机推动了对差异化音频特性的需求,而这些特性需要多个麦克风架构方能达成,也使麦克风市场迈向新一波论文范文.
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