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MEMS麦克风供需持盈保泰 网红应用利基显形
拓展无线化、数位化与自动降噪产品开发之路

【作者: 吳雅婷】2020年03月31日 星期二

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在网路普及化的时代,人人都可能成为网红。而随着网路和消费性电子产品的性能逐步升级并普及,直播和影音串流成了自媒体内容创作的重要媒介。因此,更真实、更即时且更轻便的音讯传输将成为一大需求,已臻成熟的MEMS麦克风技术便是网红利基市场的重要科技推手。


MEMS技术自1980年代着手开发,至今已近40年了。其应用领域广泛,常见於各式感测器,在智慧物联网时代,更将扩展至智慧工厂、智慧家庭和智慧交通等多元场域。而这项发展已臻成熟的跨领域技术,市场仍持续增长中,尤其在5G商用的情境下,MEMES技术亦将用於射频模组,推升另一波市场增长。


根据国际半导体协会(SEMI)2019年时预测,MEMS与感测器市场的产值至2024年将接近翻倍,自2018年的480亿美元成长至930亿美元。此外,全球产能也将大幅成长,至2023年成长率估计会高达25%。


其中,台湾的产能已在2018年排名世界第二,由台积电领头,在全球MEMS与感测器晶圆厂的产值中排名第五。而国家产值排在台湾前面的是日本。SEMI预估,两国将维持全球领先地位至2023年。



图一 : 全球MEMS与感测器产能将持续成长,至2023年估计高达25%。(source:semi.org)
图一 : 全球MEMS与感测器产能将持续成长,至2023年估计高达25%。(source:semi.org)

MEMS元件之所以持续稳健成长,便是因为其技术特点带来的制造和应用优势。MEMS技术结合了半导体制程和机械结构设计,因此能够打造出精密小巧的感测或制动元件,例如喷墨列印头、陀螺仪、加速器和压力感测器等。


而这项技术应用在音讯处理上,就能实现具备成本效益的量产、元件微型化,以及建置多个麦克风的系统布局。这也呼应了网红时代中影音串流和直播应用的蓬勃发展,一方面,5G将满足网路速度与节点数量的需求,另一方面,MEMS麦克风将助力消费性电子产品的开发加速并走向多样化,成为市场产值增长相辅相成的重要科技推手,在这波网红经济中推波助澜。


2019年,市调机构Yole Developpement便指出,MEMS麦克风的产值将自2018年的12亿美元,以年均复合率6.3%增长,至2024年达到16亿美元。



图二 : MEMS麦克风市场的产值持续成长,至2024年将达到16亿美元。(source:yole.fr)
图二 : MEMS麦克风市场的产值持续成长,至2024年将达到16亿美元。(source:yole.fr)

该产值成长很有可能将由3C产品的市场需求驱动。据市调机构Grand View Research统计,2018年亚太区的MEMS麦克风产值有约六成来自智慧型手机与其他消费性电子产品。面对自媒体时代,如何迎向大众对产出高品质影音创作的期待,将引领MEMS麦克风市场持续扩张,甚至发展出专用於网红的利基市场,三大应用趋势为数位化、无线化与自动降噪。


音讯输出介面数位化 酝酿产品开发弹性与高效率

在麦克风系统采用MEMES技术之前,驻集体电容式( electret condenser microphone;ECM)主导了麦克风市场近半个世纪。随着语音辨识、自动降噪等智慧化功能逐步进驻行动装置,MEMS麦克风的特点将成为绝对优势。


首先,就每单位信噪比(signal-noise ratio;SNR)而言,MEMS麦克风元件表现较隹,其采用半导体制程,封装尺寸小,且SNR随着制程与结构设计优化将持续提升。再者,MEMS元件能耐住高温制程,在系统稳定性方面亦可圈可点。


结合上述优点,可以发现,采用MEM技术的麦克风制造不仅量产弹性大,更提供产品开发的更多可能性。在语音辨识或自动降噪应用中,多个麦克风的系统布局也因而得以实现。


目前MEMS麦克风的输出介面可分为数位和类比,且前者的开发潜能持续走强,数位介面很有可能成为主流。



图三 : 采用数位介面的MEMS麦克风系统将类比讯号(声波),先进行低通滤波(low-pass filter),再将讯号传至取样保持电路(sample and hold),完成AD转换及後续杂讯处理。(source:dpamicrophones.com)
图三 : 采用数位介面的MEMS麦克风系统将类比讯号(声波),先进行低通滤波(low-pass filter),再将讯号传至取样保持电路(sample and hold),完成AD转换及後续杂讯处理。(source:dpamicrophones.com)

一来,目前电子产品的运算处理与输出多半采用数位讯号,对电子装置来说,在进行系统整合与连接时,数位介面更为实用,也能节省转换成本。二来,数位输出介面在运算端到输出端的过程中,讯号仅经过数位电路内部,因此受到外在环境杂讯影响的程度也会相对较低。将数位介面用於具备电路较复杂或长距传输的装置,信号较不易失真。


比声速还快的无线传输 实现行动应用与降噪功能

除了输出介面数位化之外,无线化便是继消费性电子产品行动化後的下一步进展。真无线蓝牙耳机(true wireless stereo;TWS)便是近期掀起的新兴无线产品浪潮之一,以往多半在专业录音和电竞应用才相对重视的麦克风技术,正快速蔓延至一般科技消费者的日常生活中,MEMS麦克风的重要性也因此再度提升。


而无线设备的设计不仅需考量讯号传输品质问题,功耗与性能稳定性也是重点。後两者在MEMS技术的精进下,可以透过微缩化与系统设计优化,而讯号传输品质问题则可以透过主被动降噪解决。


被动降噪就是物理降噪,麦克风可透过吸音材料,降低环境噪音对音讯的干扰;而主动降噪为软体降噪。麦克风将声波转成电讯号,转换过程中可以善用类比讯号或数位讯号进行杂讯处理,在聆听者接收到声音前,利用演算法产生与杂音相反的波形,进而削减甚至消除环境噪音。


然而,主动降噪从接收音讯、分析杂讯到输出调整後的音讯,必须历经一段感测与运算的时间。无线耳机却是短距传输,因此,麦克风需在几十微秒内将音讯处理完毕,这很难达成,尤其是高频音讯,可能只能透过选用吸音材料,实现降噪功能。


对此,美国伊利诺大学研究团队提出了一种软体降噪的解决方案,利用的便是无线传输速度快的特点。他们开发出一套主动降噪系统「MUTE」,运用LANC演算法(Lookahead Aware ANC algorithm),能赶在环境噪音传到耳朵前接收噪音,并透过Wi-Fi将杂讯资料连接至麦克风上的DSP,提前进行主动降噪。


这套系统的发想便是该团队发现无线传输速度比声速快上100万倍,因此可以在近噪音源侧设置麦克风,预先撷取环境噪音,以提升降噪效率。而结果显示,MUTE在高频音讯方面的降噪性能明显提升。


由此可见,麦克风设计随着科技发展迁化,而MEMS技术在系统设计上的高弹性与相容度,将促使MEMS麦克风应用堆叠出更多元的附加功能,并激励开发者创新,提出结合多面向的解决方案。


行动装置应用必须面对的难题:ESD与TDMA噪音

随着网路朝向高速发展,以及晶片尺寸持续微缩,消费性电子应用也随之走向行动化,但要将MEMS麦克风用於行动装置,就必须面对静电放电(electrostatic discharge;ESD)与多时分工(time division multiple access noise;TDMA)噪音的问题。


首先,是ESD问题,亦即当不同静电电位的物体相互靠近时会产生电荷转移的现象。而麦克风特别容易频繁历经自装置??入或拔取的过程,当接上带电??头时,ESD便会产生。由於行动装置中的IC运作电压相对较低,ESD可能会折损元件性能,甚至严重破坏电路;再加上麦克风设计须考量声学腔体结构,晶片上会预留让声波传递的孔洞,ESD便可能从该音孔进入。


为了保护电路,便要采取措施抑制ESD。举例来说,建立TVS二极体保护电路就能实现ESD保护功能。该电路结合双向TVS二极体及电容,在出现突发脉冲或ESD时,能将该电流导至地面,避免破坏晶片。


另一个方法则是以变阻器取代保护电路,好处是可以缩小安装面积及制造成本。日本零组件制造商TDK表示,在智慧型手机音频线采用变阻器,最多能减少90%的安装面积,且能提升麦克风灵敏度。



图四 : 以变阻器取代TVS二极体保护电路能减少安装面积,甚至提升麦克风灵敏度。(source:tdk.com)
图四 : 以变阻器取代TVS二极体保护电路能减少安装面积,甚至提升麦克风灵敏度。(source:tdk.com)

MEMS麦克风应用在行动装置时的另一个常见问题则是TDMA噪音。由於行动装置的无线电频宽有限,系统往往将频带以固定时距切割,进而允许多个讯号在多个时间通道或频率通道传输。


然而,行动装置需收发的讯号多元,例如Wi-Fi或射频讯号,且行动装置元件布建紧密,天线与麦克风距离较近,这些高频通讯讯号便有可能被麦克风接收,因而产生噪音,这些噪音就是TDMA噪音。这时,滤波器就可以用来解决此问题。


结语

虽说MEMS麦克风技术并非创新技术,但随着科技应用持续更新,它也跟着进化,甚至可能带来新的应用变革,提供诸如网红等新兴应用有力的发展资源,共同创造更大的市场与经济价值。值得期待的是,这项技术发展成熟,在软硬体供应链上已形成完整生态系,可??提供高速及具备雄厚技术深度的发展动能,持续迈向数位化、无线化和高品质音讯传输。


**刊头图(source:consummerreports.org)


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