一文看懂MEMS麥克風技術

來源：內容來自Ctimes，謝謝。

智能語音助理成為當紅炸子雞，作為相關應用不可或缺的聲音感測器，麥克風的市場規模也將出現明顯爆發，其中又以MEMS麥克風受惠最大。至於駐極體麥克風(ECM)，雖然具有高訊噪比(SNR)的優勢，但因為匹配工作相對繁瑣，對於需要採用陣列架構的智能語音助理應用來說，並非最理想的選擇。

研究機構Yole預估，在智能語音助理、車用等應用需求爆發的加持下，MEMS麥克風的出貨量將穩定成長，到2022年時，年出貨量可望超過80億顆；ECM麥克風出貨量則緩慢萎縮，到2022年時，出貨量約僅在30億顆左右。如此龐大的市場，我們有必要重視一下這個產品的技術了。

MEMS麥克風的結構和工作模式概述

MEMS麥克風含一個可移動的膜片和靜態背板，矽晶圓基板上採用常見的沉積和選擇性蝕刻的工藝製作。背板有穿孔，允許空氣流通而不引起偏離。膜片的設計是為了適應聲波引起的氣壓變化。彎曲會造成膜片相對背板移動，產生一定比例的電容變化。與MEMS換能器共同封裝的一個配套IC將此電容變化轉換成一個模擬或數字格式的電訊號。

市場上有模擬或數字輸出的MEMS麥克風。模擬麥克風基本上包含MEMS換能器和配套的模擬放大器集成電路(IC)，是一種用於小型手持裝置的熱門方案，像是功能手機與入門級到中階的智能型手機。

數字化

整合模擬調節訊號和模擬數字轉換器（ADC）的數字麥克風通常是PC或高階智能型手機的首選裝置。數字技術利用固有的更高射頻和抗電磁干擾（EMI）實現更佳的音訊性能，如圖一所示。此外，電路設計和電路板布局可以簡化，更易於更動設計，無需修改電阻和電容值。

圖一: 數字化改進抗噪性

大多的數字麥克風還有時脈和一個L / R控制的輸入。時脈輸入用來控制Δ?調變器，將感測器的模擬訊號轉換成數字脈衝密度調變（PDM）訊號。典型的時脈頻率範圍從1MHz至3.5 MHz。麥克風的輸出被驅動到所選擇的時脈邊緣的適當水準，接著進入一個高阻抗狀態的時脈周期的另一半。這使兩個數字麥克風輸出能共用單條數據線（圖二）。L / R輸入確定有效數據的時脈邊緣。

圖二: 數字麥克風可減少傳輸線數量

數字MEMS麥克風具有高抗噪性和簡化電路設計的優點，適用於多麥克風陣列以消除迴音和雜訊，以及波束形成以實現定向靈敏度。為讓智能型手機能消除雜訊，一種常見方法是在遠離主語音麥克風之處放置一個或多個額外麥克風，例如在外殼邊緣或背面，檢測來自周圍環境的雜訊，再從語音麥克風的輸出中減去，能提高通話品質。降噪麥克風也經常用於影音錄製模式。

波束形成還使用到兩個或多個麥克風陣列。雖然大多數麥克風有全向靈敏度，但一些應用可得益於一個特定方向所增加的靈敏度或在其他方向降低靈敏度，例如在電話會議中或行車通話時提高音訊品質和清晰度。根據從不同方向傳來的聲音相位差，波束形成可利用數字演演算法到陣列的麥克風輸出，而且還能判定特定聲音傳來的方向。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1317期內容，歡迎關注。

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