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奈米通訊NANO COMMUNICATION 20卷 No. 4

微機電麥克風技術簡介

微機電麥克風技術簡介Introduction to MEMS Microphone Technolog呂如梅國家奈米元件實驗室

摘　要

本研究主要針對 MEMS麥克風技術進行概略性介紹，包括 MEMS麥克風相較於傳統

駐極體電容式麥克風 ( ECM )的優勢，MEMS電容式麥克風結構原理，其性能規格與

封裝技術進行簡易定義說明。

Abstract

This article mainly provides a brief introduction to MEMS microphone technologies.

The contents of it include such like the advantages compared with ECM, the fundamental

principle and structure design, the current packages, and the definitions of some

signi�cant speci�cations in regard to MEMS microphone.

關鍵字／Keywords 微機電麥克風(MEMS Microphone)、矽基麥克風(Silicon Microphone)、振膜(Membrane)、背板(Backplate)

主題文章422

前　言

所謂「微機電系統」(以下簡稱MEMS) 係指利用半

導體製程或其它微精密技術，同時整合電子、電機或機

械等各種功能於一微型元件或裝置內。相較於以組裝

方式形成的傳統駐極體電容式麥克風(以下簡稱ECM)，

MEMS麥克風不僅外觀尺寸小、電量耗損低還具備以下

的優勢：對於周圍環境干擾（溫度變化、振動、電磁干

擾、電源波動..等等）具備更好的抑制能力；個體與個

體之間性能指標的一致性較高；能夠進行自動貼裝。此

外，由於該MEMS元件是以矽晶圓與成熟的半導體製程

形成，可承受高達260℃以上的表面貼裝(SMT, Surface

Mount Technology)高溫作業而不衰減性能，因此MEMS麥

克風正不斷侵蝕ECM的市場已是不爭的事實。

電容式微麥克風結構原理

壓電式(Piezoelectric)、壓阻式(Piezoresistive)與電

容式(Capacitive)是目前常見的微麥克風技術。壓電式麥

克風利用壓電材料受力後會輸出電流或電壓的特性，將

聲音訊號轉換成電訊號，並在經過放大之後輸出，而壓

阻式麥克風是利用壓阻材料在受力之後電阻特性發生改

變。通常上述兩款麥克風對聲壓的敏感度較低、並且系

統雜訊較大。由於電容式微麥克風具有高感度及低功耗

等優良特性，是目前市場發展的主流。

如圖(1)所示，電容式麥克風的結構主要利用兩片

導電板及兩板之間的絕緣空氣層來形成一基本電容構

造，此兩片導電板通常分別被稱為「振膜」(Membrane)

與「背板」(Backplate)。理想的振膜為一極柔軟的彈性

薄膜，受到聲壓作用時會產生振動，因而產生微距離改

變，造成振膜和背板之間的動態微位移，因此使該結構

的電容值亦隨之改變。如圖(2)所示，MEMS麥克風的感

測器晶片構造通常是由一層較薄且低應力的複晶矽或氮

化矽形成振膜，另以一較厚的複晶矽或是金屬層形成

具有多孔結構的背板，共同形成一組以空

氣作為介電層的微電容器構造。除了必要

的MEMS感測器之外，在MEMS麥克風的

封裝體內通常還須搭配另一顆電路晶片，

提供給該MEMS晶片正常操作時需要的穩

定偏壓、並將訊號經過放大處理後輸出，

一般泛稱為ASIC (Application-Specific IC)。

MEMS麥克風使用的ASIC因產品應用類別不

同，區分為類比式和數位式兩款。類比式

的ASIC其基本架構主要是由「倍壓電路」

(Charge Pump)、「電壓穩定器」(Voltage

Regulator)及「放大器」(Ampli�er)三大功能

區塊的電路所組成、如圖(3)所示。倍壓電

路目的是藉由對輸入的電源進行增壓處

圖 1 電容式麥克風的結構原理。

圖 2 MEMS麥克風感測晶片的構造示意圖。

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理，以提供MEMS晶片所需之較高操作電壓。放大器

電路功用在於放大及穩定輸入訊號。電壓穩定器的功能

則是在ASIC電源輸入端提供穩壓處理，使晶片內部各電

路區塊皆能正常運作。而數位式ASIC除了同時具備上述

三項基本功能區塊之外，還增加了所謂「三角積分調變

器」(Sigma Delta Modulator)電路、如圖(4)所示，來負責

訊號的取樣與抑制雜訊等任務。

性能規格介紹

比較 MEMS麥克風產品性能優劣時，其主要的量測

項目包括有「靈敏度」、「頻率響應」、「訊號雜訊比」、

以及「總諧波失真」等。各規格項目的基本定義說明如

下：

靈敏度 (Sensitivity)：是指麥克風將聲音能量轉換成電壓

後所輸出的訊號強度，亦即訊號輸出對於聲壓變化之敏

感程度，一般亦稱為「感度」。其定義為麥克風輸出電壓

與作用在振膜上聲壓的比值，單位以「mV/ Pa (dB)」表

示。一般皆以頻率 1kHz作為量測感度時的參考點，當輸

圖 4 數位式 ASIC功能方塊。

圖 3 類比式 ASIC功能方塊。

主題文章424

入信號固定時 (1kHz)，輸出訊號越強，代表麥克風靈敏

度越高，高靈敏度的性能是選擇麥克風的首要條件。

頻率響應 (Frequency Response)：是指麥克風接受到不

同頻率的聲音時，系統輸出端之感度訊號隨頻率變化而

放大或衰減情形，也可以說是麥克風在同樣的條件下對

各頻率聲音的輸出電壓。一般人耳可聽到的頻率在 20Hz

至 20KHz之間，而通常微麥克風在應用上需求的頻率響

應量測範圍約為 100Hz至 10KHz、如圖 (5)所示。各頻率

所對應的靈敏度數值就是頻率響應，繪製成圖象就是頻

率響應曲線，又簡稱為「頻響曲線」，其線形應該越平坦

越好，「頻率響應」（Frequency Response）決定了收音傳

真度。

訊號雜訊比 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)：亦稱為「訊

雜比」，其是指麥克風原始訊號和自身內部雜訊強度的

比值，通常單位以「dB」表示。此特性一般是以在頻率

1KHz 下量測到的靈敏度值減掉系統內部之雜訊值來計

算。當雜訊增加時，訊號資料的錯誤率也會隨之增加。

訊雜比的比值越高，代表音訊放大得越乾淨、訊號品質

越好。

總諧波失真 (THD, Total Harmonic Distortion)：總諧波失

真是指麥克風在訊號輸入並經過放大器處理之後，輸出

訊號比原始輸入訊號多出的額外諧波及倍頻成分所佔之

總比例，通常用「%」來表示。例如 1000Hz的諧波就是

2kHz、3kHz、4kHz等，諧波失真用來表示檢測非線性失

真的結果，所以這一結果越小越好。一般來說，高質量

產品的 THD值很低 (低於 0.002%)，MEMS麥克風目前皆

小於 0.1%。該主要因放大器並非完全線性所引起的錯誤

諧振信號干擾，時常會導致麥克風在訊號輸出時產生失

真現象。

封裝技術介紹

就 MEMS麥克風產品而言，市場最大需求是應用於

手機上，其在封裝除了必須具備基本的電子構裝保護功

能之外，還必須提供三種基本功能：(1) 是一與外部環

境連通的入音孔，使聲壓可以順利傳遞到封裝體內部之

MEMS感測器上產生微振動。(2)為了使產品的訊噪比性

能提高，該封裝體必須具備對環境電磁波干擾的屏蔽功

能。(3)當產品應用在手機上時，其對 RF頻段還必須提

供良好的濾波效果。

MEMS 麥克風的領導廠商 Knowles，其經典的封

裝結構包含上述三種基本功能外，而且獲得專利權多

年，目前市面上有許多廠商如 ADI、Infineon、AAC及

Memstech等，其封裝作法均與 Knowles典型封裝結構相

似，因此近年來皆與 Knowles有專利侵權訴訟事件。以

下針對 Knowles其典型的封裝結構作概略說明，如圖 (6)

所示。該結構是以內嵌電容的 PCB為基板，在基板表面

上黏貼了 MEMS晶片及 ASIC晶片。內嵌的電容則是為了

提供產品對 RF頻段的濾波作用，MEMS和 ASIC晶片

圖 5　 MEMS麥克風的頻率響應曲線實際量測結果。

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間以金線相連接，提供訊號轉換、放大和輸出功

能。在黏晶與打線之後，PCB 基板利用中板 ( Wall) 加

上蓋 (Lid) 含有入音孔的組合結構、或是採用一金屬蓋

(Metal Cup)直接覆蓋方式來形成導體外殼，以保護基板

黏貼完成的 MEMS晶片及 ASIC晶片、並提供封裝體良好

之電磁波防護效果。

在進行 MEMS麥克風的封裝體結構設計時，有下列

重要項目須謹慎評估與考量：

前腔體積 (Front Volume)

「前腔體積」是指聲壓進入入音孔後至到達 MEMS感測

器振膜前的封裝體內部空間體積，如圖 (7)所示，其上出

孔與下出孔的頻響曲線結果如圖 (8)所示。由模擬結果

可知，其對感度的影響如圖 (9)所示，前腔體積大小的不

同幾乎完全不影響感度，但會改變頻響曲線的共振點位

置，體積越大該共振點會越早發生，前腔體積應越小會

較適當。

背腔體積 (Back Volume)

相對於前腔體積，「背腔體積」是指振膜與封裝體內部

所形成的密閉空間體積，亦即為聲音通過 MEMS 晶片

後的密封體積。由模擬結果顯示，背腔越大時感度會越

大、如圖 (10)所示。這是因為當背腔體積增大時，振膜

受到來自背腔內空氣的反作用力會愈小，因此感度得以

提升，背腔體積應越大會較適當。另外，須特別注意的

是，背腔內的空間必須完全受到密封；若背腔未能妥善

(c) (b)

圖 6　圖 (c)是 Knowles產品實際拆蓋後的封裝體內部結構照片。而圖 (d)則是其 MEMS感測器的外觀 SEM照片

(a) (b)

圖 6　Knowles公司 MEMS麥克風產品的封裝結構說明。圖 (a)是利用中板加上蓋的組合結構形成封裝體。圖 (b)則是以一金屬蓋直接覆蓋形成封

裝結構。

主題文章426

(a) (b)

圖 7　前腔體積 (Front Volume)定義說明。圖 (a)是 Knowles MEMS麥克風下出孔設計示意圖。圖 (b)是 Knowles MEMS麥克風上出孔設計示意圖。

圖 9 模擬不同前腔體積對麥克風頻率響應曲線的影響。

(a) (b)

圖 8　前腔體積 (Front Volume)不同設計的頻響曲線結果。圖 (a)，Knowles MEMS麥克風下出孔結構的頻響曲線結果。圖 (b)，Knowles MEMS麥

克風上出孔結構的頻響曲線結果。

圖 10 模擬不同背腔高度對麥克風感度的影響。

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密封而與前腔空間相連通時，由封裝實驗結果得知，會

使頻響曲線在低頻區段發生感度降低現象。

電磁干擾屏蔽 (EMI Shielding)

為了減少環境電磁波干擾，在 MEMS 麥克風封裝體的設

計上都必須具有抗電磁干擾能力以減少雜訊 (Noise)。使

用 EMI Shielding的方式有金屬層 (Sputter)、金屬蓋、及

Doping金屬的 Compound，目前較常見的作法大多是直

接採用金屬蓋覆蓋並接地方式，來達到所需之電磁屏蔽

效果。Knowles封裝結構專利最大的保護範圍即為 EMI

shielding的方式。

結　論

在 2003年時，聲學大廠 Knowles公司推出了業界

首款 MEMS電容式麥克風，並成功導入 Motorola的超

薄手機內使用，此應用於手機產品的成功案例帶動了

MEMS市場商機崛起，所以引發許多歐美日大廠競相投

入該產品技術開發，然而該公司的專利佈局時間較早，

並且封裝結構專利所主張的權利範圍非常廣泛，此使得

Knowles公司佔有絕對優勢，目前 MEMS麥克風市場由

該公司穩居市佔率近 90%的領先地位。雖然 ECM產品仍

在市場上具有一定的佔有率，但 MEMS麥克風具有尺寸

微小、性能穩定、高規格頻響、可自動化生產、且容易

整合其它功能等優勢。另外在近幾年價格上也漸漸降低

至符合市場需求，未來必然會全面取代 ECM產品，成為

音訊應用市場的主流。市場研究機構 IHS iSuppli 的最新

統計數據顯示，受惠於手機、筆記型電腦、免持聽筒、

平板裝置等產品的大量需求，2012年微機電系統 (MEMS)

麥克風出貨量增加了 57%，估計 2013年將進一步成長

30%，出貨量由 2013年的 20.5億顆增加至 26.6億顆。

IHS iSuppli 預期，MEMS麥克風市場至少在接下來三年還

會呈現兩位數字成長，到 2016年出貨量規模可達 46.5

億顆。

另據了解， MEMS麥克風對醫療及汽車行業也有很大

的吸引力，從機器監視、助聽器到車載免提裝置等應用

都有可能用到 MEMS麥克風。如是來看，MEMS麥克風

未來的發展潛力不容小覷。

參考資料

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Transducer,” US Patent, No. 3118022, 1964.

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And Bergveld, P., “A Review of Silicon Microphones,”

Sensors and Actuators A, 44, pp. 1-11, 1994.