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MEMS麦克风跃居手机麦克风主流技术!
 

【作者: 王岫晨】2009年09月04日 星期五

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2010年手机MEMS组件将达25亿美元规模


根据外电消息报导,市场研究公司Yole Developpement公布一份研究报告指出,至2010年,MEMS微机电技术在手机应用的市场,将会达到25亿美元的规模。



Yole表示,硅晶麦克风以及薄膜体声波谐振(FBAR)在2003年推出时,就已吸引市场的注目,如今迈入成熟阶段,应用也将更广泛。而MEMS加速计正位于高度发展期,如陀螺仪、微型显示器、微对焦和变焦产品则仍处于刚起步的阶段。Yole也指出,2007年时,包括硅晶麦克风、FBAR、BAW滤波器和加速计三项MEMS产品,其总计的销售额已达到4.4亿美元



此外,Yole也表示,包括压力传感器、微型镜片、RF开关、可变电容、振荡器以及微燃料电池等,都是未来MEMS技术的新兴市场。Yole也预测,MEMS将成为推动手机市场创新的主力,至2012年,手机使用MEMS技术的新功能将占60%的MEMS市场。



2010年全球1/3手机具备MEMS传感器


市场研究公司iSuppli表示,2009年全球出货的手机中,将有五分之一具备加速度传感器,而2010年更将提高至三分之一。预计2008至2013年,手机的MEMS传感器市场将成长两倍以上,营收达16亿美元。



据了解,2010年全球出货的手机中,将有三分之一使用加速计,而2009年的比例为五分之一,2008年只有11分之一。虽然消费者并不清楚加速计是什么东西,但他们都知道把iPhone侧放时,屏幕会自动变成横向显示,或者摇动手机来操作游戏。过去的智能型手机就是藉此风靡全球,但现在其他类型的手机也开始具备相同功能。



根据iSuppli调查,自2009年1月1日以来,在已经推出的数百种手机中,有18.3%的机型使用了加速计。iSuppli预计,2009年下半年加速计在新款手机中的占有率将持续上升。



以诺基亚为例,今年诺基亚38%的新款手机,已整合了动作感应加速计。至于索尼爱利信手机的加速计使用率最高,今年新推出19款手机中,有18款都采用了加速计。其他的三星和LG等,也推出了采用3轴加速计的新款手机。



而除了加速计,其他MEMS组件也开始应用在手机上,包括MEMS麦克风、BAW双工器和滤波器、MEMS自动对焦器、压力传感器以及MEMS微型投影机等。此外,MEMS陀螺仪也将在2010年进入手机市场。



MEMS麦克风将成为手机麦克风主流技术


德国博世(Robert Bosch)宣布收购美国MEMS麦克风厂商Akustica。据了解,这是因为在手机麦克风市场,MEMS麦克风已取代传统的驻极式电容麦克风(ECM),成为主流的手机麦克风技术。未来MEMS麦克风还将应用于汽车上。也由于MEMS麦克风市场不断成长,近年来已有十多家厂商投入该市场。



成立于2001年的Akustica,过去已成功出货500万个MEMS麦克风,主要应用于PC、NB、手机等各种消费性产品中。虽然市场上还有其他MEMS麦克风竞争厂商,但Akustica是目前唯一能将MEMS麦克风与模拟周边、数字电路整合在同一颗CMOS芯片上的厂商。此次并购,Akustica将被成为博世MEMS部门Bosch Sensortec之一部分,而并购后博世的MEMS麦克风业务也将独立运作。



目前博世的加速度计与MEMS麦克风两种产品都是消费性MEMS市场成长最快速的。预估MEMS市场规模将在2012年达25亿美元,其中MEMS麦克风市场的年复合成长率为30%,预计2012年出货量将突破10亿颗。



当然博世进军消费性MEMS麦克风市场,对于原先该市场的老大哥美国楼氏电子(Knowles Electronics)造成不小威胁。目前楼氏已拥有不少MEMS麦克风专利,业界认为,就所拥有的MEMS麦克风专利来看,楼氏和Akustica两家厂商掌握绝大优势。过去两家厂商就MEMS麦克风专利交互授权,极可能垄断该市场。而现在Akustica被博世收购之后,由于博世原本就拥有极强的营销、生产与开发能力,因此未来在消费性MEMS麦克风市场上,博世将成为楼氏的头号敌人。其影响仍将视目前博世与Akustica的合并作业进度而定。



MEMS麦克风成长率高达20%


MEMS麦克风当前已是相当多MEMS大厂急于争取的市场,原因在于MEMS麦克风未来几年复合成长率将高达20%左右,而之所以会有如此高的成长力道,最主要原因在于MEMS麦克风较传统麦克风优点在于音质较佳,且具有高感度与低耗电特性,而最让系统厂感到跃跃欲试的是在于MEMS麦克风耐高温与抗噪声特性。



而采用MEMS麦克风的主因,是因为MEMS技术得以让麦克风体积进一步缩小,让其余零组件得以进一步整合达到低成本最终目的。目前MEMS麦克风已用在笔记本电脑、助听器、耳机以及部分消费性电子产品里头,未来MEMS麦克风更可进一步用在车用电子以及一些VOIP设备,但最让所有MEMS麦克风厂引领期待的还是在于手机市场,原因在于手机每年出货量已是所有终端商品中最大族群,但当前受限于手机厂无法满足不同类型消费者使用手机姿势,因此使得MEMS麦克风还无法有效用在手机内部。



(表一) 传统麦克风与MEMS麦克风特性比较表<数据源:楼氏电子>





















































特性

传统麦克风

MEMS麦克风

抗电源噪音

小于20dB

大于40dB(可测到约60dB)

机械震动

小于3,000G

大于15,000G

工作温度

-25~85℃

-40~105℃

振动灵敏度

约-64dBv/G

约-74dBv/G

灵敏度随电压的变化

于1.5伏特时将转移为3dB

在工作电压1.5~3.6伏特范围内变化小于0.1dB

焊盘类型

无标准

SMT

倒装(音孔在底部)

有板下型

最小体积

23平方毫米

18平方毫米

整合其他功能的能力

受限

可发展不同型态:放大型、数字型、差分型等




优点多 适用于中高阶手机


MEMS麦克风外形较传统电容式麦克风要小,且更重要的是MEMS麦克风更具备更强耐热、抗振和防射频干扰性能。由于耐热性能强,MEMS麦克风采用全自动表面贴装(SMT)生产制程,而大多电容式体麦克风则需手工焊接,因此MEMS麦克风不仅能简化生产流程,降低生产成本,而且能够提供更高的设计自由度和系统成本优势。



MEMS麦克风也因不到普通麦克风一半大小,并具有整合音频讯号处理功能,MEMS麦克风可作为单芯片手机的整合部分,适用在中高阶移动电话。除此之外,与ECM的聚合材料振动膜相较,MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定,不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强,MEMS麦克风可承受260度的高温回流焊,而性能不会有任何变化。由于MEMS麦克风组装前后感应性变化很小,甚至可以节省制造过程中的音频除错成本。



MEMS麦克风开发商各拥优势


目前全球生产MEMS麦克风大约有四家公司,包括了美国的Akustica和楼氏电子(Knowles Acoustics)、丹麦的Sonion MEMS、以及新加坡MEMS Technology等公司,然而全球各大半导体制造商现正蜂拥而此领域,据了解,目前全球已有20多家正积极开发MEMS麦克风,市场预估MEMS麦克风厂出货量将从2006年的1200万颗,成长到2011年将近3亿颗。



为了满足MEMS麦克风庞大市场需求,传出奥姆龙(Omron)甫自IBM买下1条8吋产线,专门用于制造其MEMS麦克风,并计划自2009年起开始陆续出货。



当前全球前两大MEMS麦克风分别为楼氏电子与Akustica,而两家MEMS麦克风厂所设计的MEMS麦克风也是截然不同,楼氏电子所设计的MEMS麦克风采用的属于双芯片设计,是由CMOS与MEMS芯片共同组成的MEMS麦克风,至于Akustica则是采用SoC设计,也就是将MEMS芯片与CMOS芯片给封装在同一芯片里面。



事实上,两种不同设计的MEMS麦克风各有优势,采用双芯片设计的MEMS麦克风对于客户而言使用上较有弹性,客户可以依据自己所需要的MEMS麦克风,而选择不同种类的CMOS芯片或MEMS芯片来做排列组合,至于Akustica的单芯片设计,可能在整体的制造成本上有机会逐步降低,长期而言可能在价格上有相当程度竞争优势。



MEMS麦克风市场最新动态


博世Bosch宣布收购Akustica


博世北美分公司(Robert Bosch North America)已经正式签署协议将收购美国Akustica。



Akustica主要从事开发及销售一系列CMOS MEMS數位和類比麦克风。此创新技术将转换器和相关的积体电路整合在单芯片上。博世将于此次收购进一步强化其在MEMS領域的市场地位。



博世汽車电子业务部的执行副总裁Stefan Kampmann博士表示,对Akustica及其尖端MEMS应用技术的策略性收购,不仅能完善Bosch日趋增长的半导体业务,同时也与Bosch现行的MEMS 业务活动形成优势互补,Bosch期待与Akustica团队通力合作,在这个举足轻重的业务領域持续发展。



Akustica數位MEMS麦克风迄今为止,声称已经在全球销售五百多万只麦克风。该公司现有的36名员工,将继续被博世聘用。Akustica总裁暨执行长Joseph A. Jacobson指出,Akustica非常高兴能成为博世消费類MEMS产品商业化进程的一部分。往后将整合技术、生产和人才方面的优势,继续为客户提供创新的产品和多样的传感器产品解决方案。



楼氏电子SISONIC MEMS麦克风出货量突破10亿颗


随着第10亿颗SiSonic表面黏着MEMS麦克风的出货,楼氏电子达到MEMS科技史上的重要里程碑。楼氏电子于2003年推出首款MEMS麦克风,现已成为全球MEMS消费性及行动应用市占率排名前五大的供货商(数据源:iSuppli,2009年1月),也是MEMS硅麦克风制造的主要厂商。



当应用于SiSonic专利麦克风封装时,MEMS技术可产出外型短薄又坚固的组件,显现低振动敏感度和高环境稳定性,而最重要的是MEMS麦克风可用于表面黏着制程大量生产的特性,在客户应用中能更有效的使用。如今,SiSonic系列包含30多种零件型号和多代产品,为手机、笔记本电脑、游戏系统和耳机产品优先选用的声学组件。



因应不断成长的需求,楼氏电子于2004年启用全新的占地8万平方英尺的先进制造厂,专门用于SiSonic麦克风生产。此制造厂位于中国苏州,具有高度扩展性,能够生产所有SiSonic不同系列产品,为楼氏电子提供未来持续成长及满足全球客户需求所必备的技术、制造和物流基础设施。



楼氏电子总裁Jeffrey Niew表示,楼氏电子的长期承诺、探索新领域的意愿、发掘「适当的」供货商和财务投资都是SiSonic MEMS麦克风的成功要素。10亿颗MEMS麦克风的出货量是一项极为重要的成就,证明楼氏电子不仅专心致力于生产革命性产品,还要成为声学世界及更广阔领域的愿景引领者。



《图一 ADI发表应用消费性电子装置之MEMS麦克风》


ADI发表应用消费性电子装置之MEMS麦克风


尽管将声音、音乐、以及视讯整合为一的电子装置日益增多,但是由这些手持式电子装置所产生出来的声音仍旧未能符合消费者们的期望。ADI公司已经开发出一款可重现具有高传真度之音频 / 视讯、三方通话、与TIA - 92兼容之网络电话(VoIP)、声音辨识、以及其它功能的麦克风。



ADI将音频应用方面的技能知识与微机电系统(MEMS)技术相互结合,以此设计出高信杂比(SNR)─超过61-dB A加权的麦克风产品家族。目前在移动电话中所能产生的最高音质只能达到55 dB。此崭新的全向(omni-directional)输入麦克风具有数字输出或是模拟输出两种形式,同时提供了从100Hz到超过15kHz的频率响应,并且拥有符合可携式电子装置生产厂商设计考虑的封装尺寸以及成本。



ADMP 421 PDM(脉冲密度调变)数字输出微机电麦克风乃是针对多媒体以及具有VoIP功能的移动电话、蓝牙耳机、以及其它仰赖高质量数字化声音与音频的系统所设计。全新的ADMP 421 麦克风在数字输出方面具有对来自于无线射频(RF)以及电磁波干扰(EMI),由像是WiFi天线和LCD频率信号等源极所产生的耦合噪声的高度抗干扰能力。由于省去了模拟信号调节上的需要以及一般必须用来做为模拟信号路由缆线的包覆材料,系统设计工程师得以将ADMP 421数字微机械式麦克风的摆放位置优化,以便改善音频增强的特点像是立体音声与数组波束成型(array beam forming)等。ADMP 421的特点还有:优于-70dB的FS电源供应拒斥比(PSRR)、左/右选择、以及整合式的休眠模式。



《图二 Wolfson亚太区销售副总裁卢能相、Wolfson影像暨拟真麦克风产品线经理Nigel Burgess发表超迷你MEMS麦克风》


Wolfson发表超迷你MEMS麦克风


Wolfson宣布推出全新硅晶麦克风(silicon microphone)产品系列的第一批产品,新产品为具备高讯噪比(SNR)的薄型模拟麦克风,专门设计给对于电力以及讯号质量十分要求的消费性电子产品。此新款麦克风采用Wolfson的CMOS/MEMS薄膜技术,在一个迷你的薄型(low profile)封装内提供高可靠性和杰出效能。此外,Wolfson并也供应此款产品的强化版本,为一款提供灵敏度误差(sensitivity tolerance)仅在+/-1dB的MEMS硅晶麦克风。



这是Wolfson购并Oligon公司的第一项成果,同时也是Wolfson AudioPlus策略中拟真麦克风(True Mics)技术的首款产品。Wolfson以其MEMS转换器专利(transducer IP)技术为基础,采用标准CMOS晶圆厂制程以提供高可靠性和可扩充的产能,让厂商能够将成本和弹性效益回馈给终端客户。MEMS麦克风可以承受表面黏着回流焊技术所使用的温度,因此可以采用自动化配装生产(pick and place)技术,这免除了以手工焊接麦克风的程序,大幅度地节省组装时间与成本。



这项新产品正常耗电量仅160μA,相当适用于可携式产品(例如移动电话、可携式多媒体播放器、数字相机、摄影机、导航装置和噪音消除耳机等)。其提供改良的62dB SNR(A-weighted)效能,有效减少麦克风的噪声层(noise floor),以捕捉清澈声音并同时符合成本效益。它们拥有在100dB SPL下,最大总谐波失真(THD)仅有0.5%,以及杰出的线性化与平坦的相位响应(flat phase response)。



奥地利微电子为楼氏提供第10亿麦克风模拟IC


奥地利微电子公司已经为楼氏电子(Knowles)的SiSonic系列MEMS麦克风,提供第10亿颗高性能模拟IC。



SiSonic以楼氏电子于2002年发布的CMOS / MEMS技术平台为基础,至今已发产至第五代的硅晶麦克风产品,到目前为止整个产品系列已出货超过10亿颗单位。成熟和不断推陈出新的设计系列支持高性能、高密度的创新应用,如手机、笔记本电脑、数字相机、可携式音乐播放器和其他可携式电子设备。



MEMS麦克风由两颗晶粒(die)、MEMS传感器单元和CMOS电路构成。声学讯号在MEMS中转换为电容变化。接着CMOS IC会将电容变化转换成数字或模拟输出电压,然后再透过行动装置中的其他组件进行处理。奥地利微电子的高性能模拟ASIC是一个超低噪声、低功耗、低电压的MEMS接口系统,可实现较小的芯片面积和较低的成本,同时还可满足高制造质量和高电压能力的要求。



楼氏电子总经理Mike Adel表示,找到适合的IC是SiSonic MEMS麦克风成功的关键因素。奥地利微电子具有独特的能力、深度和可靠性,这项合作关系将有助于在未来几年扩大楼氏在MEMS麦克风技术的领导地位。



菱生MEMS麦克风打入Akustica供应链


模拟IC封测厂菱生高毛利的新产品微机电(MEMS)麦克风,打入美国大厂Akustica供应链,而Akustica是诺基亚(NOKIA)、戴尔(DELL)微机电产品主要供货商,菱生成为Akustica伙伴,等同打入国际一线手机、PC大厂市场。



另外,任天堂最新款Wii游戏机内建的MEMS零件,亦是透过菱生进行封装,菱生打入通讯手机、游戏机市场,MEMS效益将大举显现。除菱生外,同欣、硅格的MEMS产品也开始出货,另外,全智亦看好MEMS领域,并积极着手进行布局。



菱生2003年开始投入微机电领域研发,与工研院合作跨入「汽车电子用微机电感测系统技术」及「微机电压力计封装技术」。并成功开发出「超薄型(Ultra Thin)电容式微传感器封测技术」,是台湾第一家拥有MEMS麦克风封测技术厂商。



苹果i-Phone及任天堂Wii大举带动MEMS的应用热潮,随着苹果下半年将推出新版i-Phone,及Wii将推出Sport产品,新机种均大举采用MEMS,势必掀起一波MEMS商机。



菱生的MEMS初期锁定在麦克风市场上,MEMS麦克风因轻薄短小,将逐渐取代传统驻极式电容麦克风(ECM),成为相关MEMS厂商的商机。包括全球最大手机厂NOKIA已大举在新款手机上,建置MEMS麦克风。



MEMS麦克风商机崛起,包括Akustica、Sonion MEMS、Infineon、Knowles Acoustics等欧美日大厂都相继推出相关产品。菱生、同欣电、硅格未来将逐步与国际大厂合作,成为其后段封测代工伙伴。



侵权官司 楼氏提告裁定成立


2009年6月12日,美国国际贸易委员会(ITC)发出最后裁定(Final Determination)通知,关于硅麦克风封装及产品(案号337-TA- 629:Certain Silicon Microphone Packages and Products Containing Same),被告马来西亚的MEMS Technology Berhad公司侵犯了Knowles Electronics公司所拥有的美国专利号US6,781,231和US7,242,089。



2009年1月12号,行政法官Robert K. Rogers, Jr.发出初步裁定(ID)认定被告侵权。接着在09年3月13日,委员会进行审查:一、'231'专利之侵权和有效性的裁定;二、针对'089'专利赔索建构、侵权、技术和有效性的确定。



根据本通知(Notice),以行政法官Robert的初步裁定在确认及修改后,ITC 裁定该2件系争专利有效以及被告构成侵权行为。ITC 还做出:一、对被告MemsTech发出有限禁制令(limited exclusion order)处分;二、考虑到公众利益(Public Interests)的维护、三、在总统审阅期间(Presidential Review Period)被告诉及产品不受约制,依然可以进口至美国。



结语


根据本通知(Notice),以行政法官Robert的初步裁定在确认及修改后,ITC 裁定该2件系争专利有效以及被告构成侵权行为。ITC 还做出:一、对被告MemsTech发出有限禁制令(limited exclusion order)处分;二、考虑到公众利益(Public Interests)的维护、三、在总统审阅期间(Presidential Review Period)被告诉及产品不受约制,依然可以进口至美国。



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