移动麦克风烦扰

摘要
每年手机和其它移动应用设备所使用的麦克风数量超过 10 亿，而且这个数字预计在2011 年会突破20亿大关，不久之后将直逼30亿。这些惊人的数字充分表明了为什么麦克风始终是技术投资的重点目标，而传统麦克风和半导体 IC 公司总是想方设法开拓自己的市场，提高市场份额。移动应用领域的麦克风技术一直在不断向前变迁，将推动市场发生巨大的变化。这种变迁包含两大趋势： 模拟到数字，以及驻极体电容式麦克风 (ECM) 到微机电系统(MEMS)。而且这两种趋势正在融合，催生出了一类新的麦克风产品，这些产品由一些不同的公司提供，主要是半导体公司。尤其是 MEMS 麦克风，其市场发展经历了一波又一波的浪潮，目前第三波浪潮逼近，且成海啸之势，很有可能改变一切： 在 ECM麦克风中IC内容和性能的影响越来越大和MEMS麦克风向完全由半导体生产设施(晶圆厂、 封装和测试)制造的纯半导体产品的转变过程中，随之传统麦克风供应商开始受到主流半导体制造商的挑战。
每年手机和其它移动应用设备所使用的麦克风总数量超过 10 亿，而且这个数字预计在2011 年会突破20亿大关，不久之后将直逼30亿。麦克风的这种庞大且不断增长的使用量推动业界向新麦克风技术频频投资，这些新技术能够提高性能，增强可制造性，减小尺寸并降低成本。从这些数值，明显可以看出，麦克风的数量大大高过手机的数量。个中原因很简单：功能强大的智能手机日益流行，而每部手机需要一个以上的麦克风，用于回声消除、噪声消除、风噪过滤、波束定向控制、三维环绕声等音频处理。随着各手机厂商竞相采用更复杂先进的音频特性以期增加自己产品的差异性，这种声音处理会变得越来越普及。移动麦克风有两种变迁趋势：1) 模拟到数字 2) 驻极体电容式麦克风 (ECM) 到微机电系统(MEMS) 麦克风。
多年来，制造商一直致力于提高ECM的性能，如灵敏度、SNR和回流焊。模数转换器IC，尤其是那些专门为基于微机电系统(MEMS)的麦克风而设计的模数转换器IC，在提高麦克风性能方面居功甚伟。
至于 MEMS麦克风，其市场发展经历了一波又一波的浪潮。第一波浪潮在 2002 年，由采用了MEMS麦克风的图标式手机引领。2005年到2008 年，新MEMS麦克风面市，挑战上一代产品的霸权，这是第二波浪潮，但成功有限，影响不大。

第三波即将来临的浪潮却有潜力改变一切，因为随着麦克风摇身变为完全由半导体生产设施(晶圆厂、封装和测试)制造出的纯半导体产品，传统麦克风供应商可能被主流半导体制造商所取代。这种转换的大浪潮由手机制造商推动，他们希望把麦克风作为一个半导体元件来采购，可以像半导体元件那样焊接在电路板上，价格也如同半导体元件，并且由口碑良好的半导体供应商供货。
由芯片公司来提供麦克风产品，可减少手机制造商的供应商数量。手机供应链每个环节上普遍存在的激烈的价格大战，正在促使中间环节的消除(即从供应链中去掉中间商这个环节－在这里就是指麦克风制造商)，这就有利于缩减供应商的数量，给予手机制造商更多的价格优势。此外，它还避免了一层利润盘剥，这就进一步降低了产品价格。而大批量手机公司的十足购买力使供应链中的这一重大转变成为可能。
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和 EMI 抑制能力有助于实现波束定向控制、三维空间化和噪声/回声消除等功能，从而可以提高性能。因此，这些先进功能被整合在智能手机平台中。由于数字麦克风是增强功能所必需的，故智能手机增长就直接意味着数字麦克风的增长，特别是还存在着每个智能手机不止一个麦克风的倍增效应。
随着智能手机越来越受到欢迎，那些曾经只有最昂贵的手机才具备的功能将推动低端市场向低廉手机发展，而数字麦克风(越来越倾向于MEMS)将不再局限用于高端智能手机。
麦克风市场被ECM 麦克风所主导已有50年。目前，用于移动应用设备的ECM 麦克风已开始在麦克风外罩内集成结型场效应晶体管(JFET)放大器。下图显示了传统模拟 JFET-ECM 的基本结构。

图1  模拟ECM麦克风的横截面图
JFET 放大器具有低功耗与简单的优点，但它的线性度很差，而且在嘈杂的环境中(比如手机)的工作性能不好。这是因为模拟麦克风在模数转换之前易引入干扰，并在之后进入信号路径。因此，在麦克风的外罩中适当整合一个模数转换器，形成一个“数字”麦克风是很明智的做法。现在，飞兆半导体等半导体供应商在同一块 IC基板上集成模数转换器，作为 ECM麦克风的放大器。
目前，为支持在智能手机、平板电脑、移动PC和耳机等产品(中高端功能)需要更高的性能的麦克风，这种需求在推动着数字 ECM 麦克风市场的发展。现在，市场上已有在ADC上采用4阶Σ-Δ（sigma-delta）调制解调器，信噪比优于60.5 dB 的麦克风 IC，且性能进一步提升的产品已在开发中。图2和图3所示的模块示意图及麦克风横截面图给出了数字麦克风 IC 的体系结构，并显示了实际ECM 麦克风外罩中芯片相对于 ECM 麦克风振动膜的正确位置。

图2 ECM数字麦克风IC的模块示意图

图3  一般数字ECM麦克风的横截面图
ECM 麦克风振动膜采用其上分布有自由电荷的“驻极体”材料(通常是一种聚合物)制作。充电时，振动膜的运动会改变电场，把声音转换为电信号。与此相反，MEMS 麦克风的硅振动膜是电荷中性的，故必须进行外部电压偏置(使用电荷泵) 来产生换能电场。因此，MEMS 麦克风 IC 可以被看作是ECM 麦克风 IC＋电荷泵。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差异非常大。MEMS 麦克风一般采用矩形封装，而 ECM麦克风主要为圆柱形，不过并非总是如此...
MEMS 麦克风市场经历了一个自身演进过程。MEMS 麦克风市场始于双芯片模拟 MEMS 麦克风。这种结构包含一个用作机械麦克风振动膜的芯片，一个用作放大器 (在模拟麦克风的情况下) 或放大器＋ADC(数字麦克风的情况下)。麦克风振动膜和放大器 IC 或放大器/ADC IC 采用引线键合，一起集成在同一个封装中。

图4  普通的双芯片 MEMS麦克风
双芯片 MEMS 麦克风在手机市场立足之后，其它供应商又相继推出一些不同的方案，其中包括一种创新的单芯片结构。几年前，通过在PC显示屏边框中放置两个波束定向控制数字麦克风，单芯片数字 MEMS 麦克风已渗入笔记本电脑领域，用于VoIP。边框是PC中放置麦克风的理想位置，因为它比较靠近用户的嘴，并直接面对扬声器。这种布局是可行的，因为数字麦克风本身具有射频和电磁干扰抑制能力，允许信号通过中转（hinge），接近嘈杂的处理器和无线IC，在一定距离上传输，而不必担心引入噪音注入。但对于模拟麦克风， 除非具有昂贵且笨重的电缆屏蔽，否则这种曲折的布线是不切实际的。不过，现在单芯片方案还没有进入手机(指日可待，敬请关注)
单芯片 MEMS 麦克风架构的核心理念是：鉴于麦克风元件采用标准的半导体制造工艺(CMOS)生产、封装和测试，成本更低；同时，由于去掉了引线键合，可靠性得以提高。因此，可在同一块芯片上集成更多的功能。另一方面，单芯片架构不太容易适应设计的变化，因为任何信号处理电路的修改都需要对包括或邻近 MEMS 振动膜的部分进行重新设计。考虑到设计灵活性，以及单、双芯片方案之间的成本权衡，未来很可能是二者共存，由市场去筛选出最终的赢家。
尽管很晚才进入麦克风制造领域，但现在半导体 IC 公司已开始作为口碑卓著的 MEMS 麦克风供应商脱颖而出(当然是在那些前置放大器和 ECM 麦克风 IC 供应商基础之上)。为了加入角逐，IC 公司一直在积极收购麦克风IC和MEMS技术，并与MEMS供应商缔结供应和开发合作伙伴关系。公司的商标标识或许在不断变换，但出色的技术却依然不改。麦克风制造商意识到一场市场波动可能即将来临，所以他们已开始与半导体公司战略性结盟，共同致力于向 MEMS 麦克风的转换。(理想情况下，他们选择的半导体合作伙伴长期内将无意成为其竞争对手。)
简言之，麦克风市场正在从模拟向数字转换，从ECM向MEMS转换，并逐渐从麦克风制造商向硅器件供应商转换。这些转换的时机受到价格、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来实现。