往未来看,MEMS MIC可能会朝数字化、数组化、整合化等路线发展,数字化将使应用业者更容易实现设计;数组化则可以提升音质;至于整合化将能让麦克风与众多电子芯片一体成形,使麦克风应用能更大量、快速地普及……
运用微机电系统工艺所制成的硅晶麦克风,与传统的驻极式电容麦克风有何不同?
ECM的原理是将探测到的音波信号转换成电子信号,再将电子信号透过驻极连接到具缓冲性质(Buffer)的场效晶体管的闸极,以此将电波信号放大而得。
而MEMS MIC方面,内分成微机械性的MEMS部分与微电路性的ASIC部分,MEMS部分将探测到的音波信号转成电子信号,再将电子信号传送到ASIC部分,由ASIC的放大器将信号放大而得。
不过这只是概略原理,实际而言MEMS MIC还必须内建电荷泵,将工作电压进行调整,再将调整后的电压供应至MEMS部分,让MEMS部分能执行声、电转换的工作,同时ASIC部分要对外输出已电子化的声波信号。
进一步的,倘若信号要以数字方式输出,则ASIC部分还必须内建模拟数字转换器,且转换完成的数字信号会以串行方式输出,这时MEMS MIC必须有外部输入频率信号,才能确切对外输出数字化的电子声波信号。如此就不仅是一个MEMS MIC,而且还是一个数字化的MEMS MIC。
MEMS MIC前途似锦
很明显的,MEMS MIC远比传统ECM复杂,甚至较昂贵,但MEMS MIC却有着多项ECM所不及的优势,例如:可大量效率性生产;容易与其它功效的微电路整合;容易实现数字化;能承受回流焊接;质量一致且稳定性高;体积小,适合用在短小轻薄的应用设计中。
特别是「承受回流焊接」部分,IEA的MEMS MIC能承受摄氏260度的高温而不坏损,如此在电子制造加工上具有优势,包括过锡炉、解焊后重焊等都不用担心会坏损。正因为有种种超越传统ECM的优势,因此德国Darmstadt工业大学的教授,同时也是传统ECM麦克风的发明人:Sessler教授才会大胆预言:「再过若干年,人们将不再使用传统麦克风,取而代之的将全部是硅晶麦克风(即MEMS MIC)。」
主流技术为电容式探测
前面所言为MEMS MIC的整体原理,然在此要更仔细说明MEMS MIC的前端声波探测技术,目前的探测技术主要有5种:电容式、压电式、压阻式、光学式、微流式,5种方式各有其优缺点,例如压电式有热飘移效应的问题,在无信号时其零点准位并不精准;或如压阻式的灵敏性仍不足;光学式精度虽高但成本也高,眼前仅限于航天领域使用。所以,最适合大宗普及运用的是电容式,事实上传统ECM的探测原理也属电容式。
MEMS MIC的研制流程
了解MEMS MIC技术后,IEA自己在MEMS MIC方面的实际作法又是如何呢?首先,IEA先进行MEMS MIC的研发,包括MEMS部分的研发与AISC部分的研发,经过各种研制、测试、验证后,再将确定的MEMS设计、ASIC设计分别交付给专业的芯片代工业者生产,生产出MEMS芯片与ASIC芯片。IEA取回MEMS芯片与ASIC芯片后,再自行进行封装及测试,一旦封装、测试完成即可出货给客户。
在整个研制流程中,除了IEA自有的MEMS设计、ASIC设计外,封装方面也是IEA自有的技术,对此IEA已申请15项的MEMS MIC封装技术专利,相关的芯片智能财产权也申请达20项之多。在IEA的封装专利上,许多技术是在于如何降低封装、测试的成本,这也使的IEA的MEMS MIC的价格上拥有绝佳的竞争力。
此外,用MEMS工艺来制造麦克风,很大的一项诱因即是让麦克风的体积更为短小轻薄,现在IEA已能制出多种轻薄型的MEMS IC,尺寸上为4.72 x 3.76 x 1.25公厘、6.15 x 3.76 x 1.25公厘,甚至已能够达4 x 4 x 1.25公厘的超小型境界。且在体积精缩的同时仍不失精准性,在200Hz∼3kHz的频率内都能保有正负3dB的相对响应。
MEMS MIC的未来发展推估
往未来看,我个人认为MEMS MIC有以下的发展趋势:数字化、数组化、整合化。
在数字化方面,过往MEMS IC是对外输出模拟性的电子声信号,往后将逐渐转变成输出数字性的电子声信号,即如前述的MEMS IC内的ASIC部分将追加模拟数字转换的电路。
而数组化的发展趋势,过去1个MEMS MIC内只有1个探测声波的单体,未来单体数将会增加,即是1个MEMS MIC会有2个以上的声波探测单体,单体数愈多,转成数字信号后可透过比对性演算,让声音质量更为提升。事实上目前就有数组化麦克风(Array MIC)的趋势,只是现有作法是用多个封装,每个封装内各1个单体来实现数组化,往后将会是在单一封装内就实现数组化。
至于整合化,由于MEMS MIC在工艺尺寸上已接近
集成电路、微电子电路,所以能轻易与其它功效芯片整合,未来同时性的影音通讯将愈来愈成熟普及,所以MEMS MIC很有可能与CMOS影像
传感器(CMOS Image Sensor)一并整合,或者其它相关应用的整合,届时MEMS MIC将不再是独立封装,而将会与其它电子芯片一同封装,甚至在研制、生产时就实行一体性研发设计、一体性晶圆片生产。如此MEMS MIC将无所不在。