採(cǎi)用英飛凌獨(dú)特密封雙膜技術(shù)的最新一代微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)，為高階應(yīng)用定義全新基準(zhǔn)，為各種消費(fèi)性裝置提供全新的音訊體驗(yàn)。

就理論而言，它非常簡(jiǎn)單：麥克風(fēng)將聲壓波轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)。實(shí)際上，麥克風(fēng)提供不同等級(jí)的效能，並有若干參數(shù)是決定專屬功能和應(yīng)用之效能的關(guān)鍵。當(dāng)今尖端裝置的潛力可能會(huì)因?yàn)樘峁┑囊粲嵲假Y料品質(zhì)不良而受到嚴(yán)重限制。

近年來，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的麥克風(fēng)已廣泛用於各種應(yīng)用。縮小尺寸和聲學(xué)特性的提升，使我們的應(yīng)用能透過智慧型手機(jī)視訊和FaceTime分享資訊和體驗(yàn)（圖一）。

圖一 : 透過FaceTime分享資訊和體驗(yàn)

這類麥克風(fēng)可用來讓智慧型手錶撥打語音電話、與數(shù)位助理溝通、命令智慧音箱播放喜愛歌曲，或透過語音功能控制智慧家庭設(shè)備。此外，在長(zhǎng)途飛行或聽音樂時(shí)，MEMS麥克風(fēng)可提供主動(dòng)式降噪功能。

以虛擬實(shí)境創(chuàng)造真正的沉浸式體驗(yàn)

想像一下，戴上虛擬實(shí)境頭戴式顯示器，發(fā)現(xiàn)自己身處太平洋上一個(gè)陽光明媚的島嶼。您在美麗的海灘上欣賞風(fēng)景，在棕櫚樹叢中漫步並聆聽海浪聲。五顏六色的鸚鵡在您的頭上大聲鳴叫。時(shí)至今日，已有可創(chuàng)造上述360°視訊體驗(yàn)所需的硬體，而且日漸普及（圖二）。然而，輕易創(chuàng)造附帶360°音訊的能力卻相當(dāng)落後。

圖二 : 若要使虛擬實(shí)境提供真正身臨其境的體驗(yàn)，高傳真音訊拾音器是關(guān)鍵。

波蘭錄音技術(shù)開發(fā)商Zylia採(cǎi)用英飛凌領(lǐng)先同級(jí)產(chǎn)品的69-dB SNR數(shù)位XENSIV MEMS麥克風(fēng)，推出全球首個(gè)可攜式錄音工作室。三階Ambisonics錄音機(jī)Zylia ZM-1麥克風(fēng)陣列可擷取虛擬和增強(qiáng)實(shí)境（VR/AR）的沉浸式3D音訊（圖三）。

圖三 : 內(nèi)含19個(gè)英飛凌XENSIV MEMS麥克風(fēng)的三階Ambisonics錄音機(jī)

藉由使用多個(gè)裝置，甚至可實(shí)現(xiàn)六自由度錄音。為了讓虛擬實(shí)境提供真正身臨其境的體驗(yàn)，英飛凌MEMS麥克風(fēng)的高傳真音訊拾取，結(jié)合Zylia先進(jìn)的數(shù)位訊號(hào)處理演算法和麥克風(fēng)陣列技術(shù)是關(guān)鍵所在。若要不遺漏任何音訊細(xì)節(jié)，麥克風(fēng)必須具備接近錄音室麥克風(fēng)的品質(zhì)。MEMS麥克風(fēng)不僅可提供此種效能，還能進(jìn)一步使360°錄音裝置小型化。

放大或減弱四周的聲音

目前有幾款耳機(jī)專為實(shí)現(xiàn)最佳360°音訊聆聽而設(shè)計(jì)。透過VR/AR頭戴式顯示器，使用者可將其環(huán)境轉(zhuǎn)換為互動(dòng)式視聽音景，並可擷取、觸摸及塑造聲音。藉由在耳機(jī)中整合優(yōu)質(zhì)麥克風(fēng)，可減弱或放大四周的聲音。主動(dòng)式降噪功能可確保使用者只聽到自己喜歡的節(jié)拍，不會(huì)聽到飛機(jī)的噪音，以享受舒適的睡眠。

現(xiàn)已開發(fā)出通透聆聽模式，可讓使用者選擇透過優(yōu)質(zhì)麥克風(fēng)擷取多少的外部環(huán)境聲音，從而結(jié)合強(qiáng)化的音訊體驗(yàn)。耳機(jī)藉由複製具有極佳真實(shí)感的空間效果以補(bǔ)足AR體驗(yàn)，協(xié)助使用者精確感知和定位虛擬聲音。藉由混合適當(dāng)水準(zhǔn)的外部聲學(xué)環(huán)境與特定虛擬音訊世界，可選擇創(chuàng)造真正身歷其境的社交體驗(yàn)。

圖四 : 當(dāng)今的視訊會(huì)議系統(tǒng)是完全整合的單元，包括編解碼器、顯示器、攝影機(jī)麥克風(fēng)及揚(yáng)聲器。

這些耳機(jī)可隔絕令人分心的外部噪音，使用者可不受干擾地專注聆聽感興趣的音訊內(nèi)容。結(jié)合主動(dòng)式降噪與主動(dòng)式語音強(qiáng)化，意味著即使在吵雜的環(huán)境中也能聽到對(duì)話中的每個(gè)單字。

未來的通訊系統(tǒng)

先進(jìn)音訊功能可縮短與朋友和同事之間的感知距離。世界各地的團(tuán)隊(duì)都開始使用先進(jìn)的視訊會(huì)議系統(tǒng)以提升通訊品質(zhì)。為提高此類裝置的效能，優(yōu)質(zhì)MEMS麥克風(fēng)與先進(jìn)音訊處理的整合程度持續(xù)提高，例如盲訊號(hào)源分離或波束成形（圖四）。當(dāng)今的視訊會(huì)議系統(tǒng)是完全整合的單元，包括編解碼器、顯示器、攝影機(jī)麥克風(fēng)及揚(yáng)聲器。

對(duì)企業(yè)有用的東西也可能很快地改變?nèi)藗兊纳缃簧睢＠纾現(xiàn)acebook利用這些技術(shù)來增強(qiáng)朋友和家人之間的溝通。將來，這些裝置還能追加虛擬和增強(qiáng)的音訊和視訊功能。新一代MEMS麥克風(fēng)將成為智慧型手機(jī)等更小尺寸裝置擁有先進(jìn)通訊功能的關(guān)鍵。

以智慧型手機(jī)享受強(qiáng)大的音訊和視訊體驗(yàn)

過去需要龐大攝影機(jī)才能完成的作業(yè)，現(xiàn)在使用手掌大小的設(shè)備即可拍攝。智慧型手機(jī)錄影功能使每個(gè)人都成為了自製影片導(dǎo)演，讓我們有機(jī)會(huì)不僅與家人和朋友分享我們的體驗(yàn)，還能透過社交媒體與數(shù)百萬觀眾分享。

雖然智慧型手機(jī)錄影功能已顯著進(jìn)步，並提供慢動(dòng)作或縮時(shí)攝影等功能，但錄音功能尚未發(fā)展到相同水準(zhǔn)。即使是最精密的智慧型手機(jī)，還是只能錄製單聲道音訊，只有少數(shù)產(chǎn)品支援立體聲。難怪智慧型手機(jī)發(fā)出的聲音很差，平坦而且沒有吸引力，無法匹配其優(yōu)異的視覺效果。

但情況正在改變：優(yōu)質(zhì)MEMS麥克風(fēng)和先進(jìn)音訊處理技術(shù)將智慧型手機(jī)錄音功能引領(lǐng)至全新境界。特殊的錄音選項(xiàng)可讓智慧型手機(jī)使用者將其對(duì)焦方向的聲音放大。音訊變焦功能可讓使用者選擇記錄想要聽到的內(nèi)容，並抑制其他聲音。

新一代語音使用者介面

語音指令以及與數(shù)位語音助理對(duì)話變得越來越流行。不幸的是，使用者還是經(jīng)常必須以不自然的聲音發(fā)出指令，甚至從遠(yuǎn)處大聲喊叫。語音識(shí)別公司正在為新一代語音使用者介面改善其處理器和演算法。

新版本的Alexa已可識(shí)別使用者低聲說話，並低聲回答，避免在晚上打擾沉睡中的家人。不久之後，這個(gè)使用者介面將能使用語音命令關(guān)閉不同房間的燈光或電視。

優(yōu)質(zhì)MEMS麥克風(fēng)和頂尖音訊處理，是使語音控制裝置備真正符合日常使用環(huán)境的關(guān)鍵因素。因此，英飛凌及其語音使用者介面生態(tài)系統(tǒng)合作夥伴Aaware、CEVA、Creoir、SoundAI、Sugr和XMOS利用自家專業(yè)技術(shù)，提供創(chuàng)新的參考平臺(tái)和立即可用的新一代語音使用者介面解決方案（圖五）。

圖五 : 英飛凌及其語音使用者介面生態(tài)系統(tǒng)合作夥伴 Creoir、XMOS、Sugr、CEVA、SoundAI 和 Aaware （由左至右、由上至下），提供創(chuàng)新的參考平臺(tái)和立即可用的新一代語音使用者介面解決方案。

基礎(chǔ)技術(shù)

MEMS麥克風(fēng)利用半導(dǎo)體製程進(jìn)行量產(chǎn)。典型設(shè)計(jì)結(jié)合MEMS感測(cè)器和ASIC。感測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電訊號(hào)，並用來放大類比麥克風(fēng)訊號(hào)，或是放大由 ADC處理ASIC中的數(shù)位麥克風(fēng)訊號(hào)。將音訊轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)的MEMS麥克風(fēng)基本上是DC偏壓電容器，其中由音訊壓力引起的膜（或隔膜）的移動(dòng)會(huì)改變一或多個(gè)電容器極板的電壓。

隔膜和背板的運(yùn)作類似於平行板電容器。當(dāng)隔膜因進(jìn)入的聲壓而振動(dòng)時(shí)，隔膜和背板之間的間隙及電容會(huì)發(fā)生變化。MEMS麥克風(fēng)擷取這些變化做為電訊號(hào)。處理大音量壓力水準(zhǔn)的主要挑戰(zhàn)是膜的大幅度機(jī)械運(yùn)動(dòng)，當(dāng)膜移動(dòng)到極端時(shí)將導(dǎo)致失真。第二個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)ASIC以處理MEMS元件產(chǎn)生的大訊號(hào)。由於音訊處理演算法採(cǎi)用線性訊號(hào)，任何高於1%的失真都會(huì)導(dǎo)致先進(jìn)音訊處理所倚賴的音訊品質(zhì)顯著降低。

方法之一是採(cǎi)用MEMS感測(cè)器元件，將移動(dòng)的膜放置在兩個(gè)電容器極板（雙背板）之間。如此一來，便能產(chǎn)生全差分（相較於單端） 輸出，它具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。雙背板MEMS麥克風(fēng)由於其對(duì)稱結(jié)構(gòu)而大幅減少失真。透過移動(dòng)夾住電容器極板的兩個(gè)膜（雙膜）以實(shí)現(xiàn)相同的效果。

新一代優(yōu)質(zhì)MEMS麥克風(fēng)：密封雙膜

相較於單背板的MEMS麥克風(fēng)，引進(jìn)雙背板技術(shù)可顯著提升線性度規(guī)格。下一個(gè)演進(jìn)階段是具有密封雙膜的電容式MEMS麥克風(fēng)（圖六）。電容區(qū)域的密封可實(shí)現(xiàn)幾乎無雜訊的音訊擷取。SNR從70 dB進(jìn)一步增加到 75 dB。

圖六 : 英飛凌全新密封雙膜（SDM）技術(shù)

2018年的第一批原型產(chǎn)品已透過4.0×3.0×1.2 mm封裝實(shí)現(xiàn)75 dB的SNR。採(cǎi)用全新密封雙膜設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì) MEMS 麥克風(fēng)，適用於先進(jìn)錄音、主動(dòng)式降噪、通訊及語音使用者介面。英飛凌將於2020年和2021年推出進(jìn)一步縮小密封的雙膜麥克風(fēng)，以因應(yīng)空間受限的裝置，因此無論身在何處皆可聆聽。

（本文作者M(jìn)arcel Knecht任職於英飛凌科技）