在網路普及化的時代，人人都可能成為網紅。而隨著網路和消費性電子產品的性能逐步升級並普及，直播和影音串流成了自媒體內容創作的重要媒介。因此，更真實、更即時且更輕便的音訊傳輸將成為一大需求，已臻成熟的MEMS麥克風技術便是網紅利基市場的重要科技推手。

MEMS技術自1980年代著手開發，至今已近40年了。其應用領域廣泛，常見於各式感測器，在智慧物聯網時代，更將擴展至智慧工廠、智慧家庭和智慧交通等多元場域。而這項發展已臻成熟的跨領域技術，市場仍持續增長中，尤其在5G商用的情境下，MEMES技術亦將用於射頻模組，推升另一波市場增長。

根據國際半導體協會（SEMI）2019年時預測，MEMS與感測器市場的產值至2024年將接近翻倍，自2018年的480億美元成長至930億美元。此外，全球產能也將大幅成長，至2023年成長率估計會高達25%。

其中，台灣的產能已在2018年排名世界第二，由台積電領頭，在全球MEMS與感測器晶圓廠的產值中排名第五。而國家產值排在台灣前面的是日本。SEMI預估，兩國將維持全球領先地位至2023年。

圖一 : 全球MEMS與感測器產能將持續成長，至2023年估計高達25%。（source：semi.org）

MEMS元件之所以持續穩健成長，便是因為其技術特點帶來的製造和應用優勢。MEMS技術結合了半導體製程和機械結構設計，因此能夠打造出精密小巧的感測或制動元件，例如噴墨列印頭、陀螺儀、加速器和壓力感測器等。

而這項技術應用在音訊處理上，就能實現具備成本效益的量產、元件微型化，以及建置多個麥克風的系統佈局。這也呼應了網紅時代中影音串流和直播應用的蓬勃發展，一方面，5G將滿足網路速度與節點數量的需求，另一方面，MEMS麥克風將助力消費性電子產品的開發加速並走向多樣化，成為市場產值增長相輔相成的重要科技推手，在這波網紅經濟中推波助瀾。

2019年，市調機構Yole Developpement便指出，MEMS麥克風的產值將自2018年的12億美元，以年均複合率6.3%增長，至2024年達到16億美元。

圖二 : MEMS麥克風市場的產值持續成長，至2024年將達到16億美元。（source：yole.fr）

該產值成長很有可能將由3C產品的市場需求驅動。據市調機構Grand View Research統計，2018年亞太區的MEMS麥克風產值有約六成來自智慧型手機與其他消費性電子產品。面對自媒體時代，如何迎向大眾對產出高品質影音創作的期待，將引領MEMS麥克風市場持續擴張，甚至發展出專用於網紅的利基市場，三大應用趨勢為數位化、無線化與自動降噪。

音訊輸出介面數位化 醞釀產品開發彈性與高效率

在麥克風系統採用MEMES技術之前，駐集體電容式（ electret condenser microphone；ECM）主導了麥克風市場近半個世紀。隨著語音辨識、自動降噪等智慧化功能逐步進駐行動裝置，MEMS麥克風的特點將成為絕對優勢。

首先，就每單位信噪比（signal-noise ratio；SNR）而言，MEMS麥克風元件表現較佳，其採用半導體製程，封裝尺寸小，且SNR隨著製程與結構設計優化將持續提升。再者，MEMS元件能耐住高溫製程，在系統穩定性方面亦可圈可點。

結合上述優點，可以發現，採用MEM技術的麥克風製造不僅量產彈性大，更提供產品開發的更多可能性。在語音辨識或自動降噪應用中，多個麥克風的系統佈局也因而得以實現。

目前MEMS麥克風的輸出介面可分為數位和類比，且前者的開發潛能持續走強，數位介面很有可能成為主流。

圖三 : 採用數位介面的MEMS麥克風系統將類比訊號（聲波），先進行低通濾波（low-pass filter），再將訊號傳至取樣保持電路（sample and hold），完成AD轉換及後續雜訊處理。（source：dpamicrophones.com）

一來，目前電子產品的運算處理與輸出多半採用數位訊號，對電子裝置來說，在進行系統整合與連接時，數位介面更為實用，也能節省轉換成本。二來，數位輸出介面在運算端到輸出端的過程中，訊號僅經過數位電路內部，因此受到外在環境雜訊影響的程度也會相對較低。將數位介面用於具備電路較複雜或長距傳輸的裝置，信號較不易失真。

比聲速還快的無線傳輸 實現行動應用與降噪功能

除了輸出介面數位化之外，無線化便是繼消費性電子產品行動化後的下一步進展。真無線藍牙耳機（true wireless stereo；TWS）便是近期掀起的新興無線產品浪潮之一，以往多半在專業錄音和電競應用才相對重視的麥克風技術，正快速蔓延至一般科技消費者的日常生活中，MEMS麥克風的重要性也因此再度提升。

而無線設備的設計不僅需考量訊號傳輸品質問題，功耗與性能穩定性也是重點。後兩者在MEMS技術的精進下，可以透過微縮化與系統設計優化，而訊號傳輸品質問題則可以透過主被動降噪解決。

被動降噪就是物理降噪，麥克風可透過吸音材料，降低環境噪音對音訊的干擾；而主動降噪為軟體降噪。麥克風將聲波轉成電訊號，轉換過程中可以善用類比訊號或數位訊號進行雜訊處理，在聆聽者接收到聲音前，利用演算法產生與雜音相反的波形，進而削減甚至消除環境噪音。

然而，主動降噪從接收音訊、分析雜訊到輸出調整後的音訊，必須歷經一段感測與運算的時間。無線耳機卻是短距傳輸，因此，麥克風需在幾十微秒內將音訊處理完畢，這很難達成，尤其是高頻音訊，可能只能透過選用吸音材料，實現降噪功能。

對此，美國伊利諾大學研究團隊提出了一種軟體降噪的解決方案，利用的便是無線傳輸速度快的特點。他們開發出一套主動降噪系統「MUTE」，運用LANC演算法（Lookahead Aware ANC algorithm），能趕在環境噪音傳到耳朵前接收噪音，並透過Wi-Fi將雜訊資料連接至麥克風上的DSP，提前進行主動降噪。

這套系統的發想便是該團隊發現無線傳輸速度比聲速快上100萬倍，因此可以在近噪音源側設置麥克風，預先擷取環境噪音，以提升降噪效率。而結果顯示，MUTE在高頻音訊方面的降噪性能明顯提升。

由此可見，麥克風設計隨著科技發展遷化，而MEMS技術在系統設計上的高彈性與相容度，將促使MEMS麥克風應用堆疊出更多元的附加功能，並激勵開發者創新，提出結合多面向的解決方案。

行動裝置應用必須面對的難題：ESD與TDMA噪音

隨著網路朝向高速發展，以及晶片尺寸持續微縮，消費性電子應用也隨之走向行動化，但要將MEMS麥克風用於行動裝置，就必須面對靜電放電（electrostatic discharge；ESD）與多時分工（time division multiple access noise；TDMA）噪音的問題。

首先，是ESD問題，亦即當不同靜電電位的物體相互靠近時會產生電荷轉移的現象。而麥克風特別容易頻繁歷經自裝置插入或拔取的過程，當接上帶電插頭時，ESD便會產生。由於行動裝置中的IC運作電壓相對較低，ESD可能會折損元件性能，甚至嚴重破壞電路；再加上麥克風設計須考量聲學腔體結構，晶片上會預留讓聲波傳遞的孔洞，ESD便可能從該音孔進入。

為了保護電路，便要採取措施抑制ESD。舉例來說，建立TVS二極體保護電路就能實現ESD保護功能。該電路結合雙向TVS二極體及電容，在出現突發脈衝或ESD時，能將該電流導至地面，避免破壞晶片。

另一個方法則是以變阻器取代保護電路，好處是可以縮小安裝面積及製造成本。日本零組件製造商TDK表示，在智慧型手機音頻線採用變阻器，最多能減少90%的安裝面積，且能提升麥克風靈敏度。

圖四 : 以變阻器取代TVS二極體保護電路能減少安裝面積，甚至提升麥克風靈敏度。（source：tdk.com）

MEMS麥克風應用在行動裝置時的另一個常見問題則是TDMA噪音。由於行動裝置的無線電頻寬有限，系統往往將頻帶以固定時距切割，進而允許多個訊號在多個時間通道或頻率通道傳輸。

然而，行動裝置需收發的訊號多元，例如Wi-Fi或射頻訊號，且行動裝置元件佈建緊密，天線與麥克風距離較近，這些高頻通訊訊號便有可能被麥克風接收，因而產生噪音，這些噪音就是TDMA噪音。這時，濾波器就可以用來解決此問題。

結語

雖說MEMS麥克風技術並非創新技術，但隨著科技應用持續更新，它也跟著進化，甚至可能帶來新的應用變革，提供諸如網紅等新興應用有力的發展資源，共同創造更大的市場與經濟價值。值得期待的是，這項技術發展成熟，在軟硬體供應鏈上已形成完整生態系，可望提供高速及具備雄厚技術深度的發展動能，持續邁向數位化、無線化和高品質音訊傳輸。

**刊頭圖（source：consummerreports.org）