壹、什麼是MEMS？
所謂微機電系統(Micro ElectroMechanical System，MEMS)是利用半導體製程技術，整合電子及機械功能製作而成的微型裝置；其定義為一個智慧型微小化的系統，包含感測、處理或致動的功能，包含兩個或多個電子、機械、光學、化學、生物、磁學或其他性質整合到一個單一或多晶片上。MEMS主要的產品類別大致可分為加速計、陀螺儀、壓力感測器、光通訊元件、DLP(數位光源處理)、噴墨頭，以及無線網路RF感測元件等，目前已逐漸應用在包括汽車胎壓量測、光通訊網路、投影機、感測網路、數位麥克風、時脈振盪器，以及包括遊戲機在內的各種產品之中，甚至在新一代記憶體技術、生物晶片、顯示技術、新興能源等。
依據IEK統計，2007年全球MEMS市場將達到68.0億美元，年增率達15%，預計2005年至2009年MEMS市場的年複合成長率(CAGR)達到16%，至2009年MEMS市場規模可達91.2億美元。
圖表一： MEMS市場規模預估
資料來源：IEK-IT IS計畫(2007/03)
MEMS的應用領域，過去一直是以噴墨頭為主的PC相關領域為最大宗，佔2005年整體MEMS出貨比重約69%，隨著消費大眾對於MEMS所能提供的功能接受度提高，新興應用領域對於MEMS元件的需求將持續增加，以MEMS麥克風為主的通訊相關領域佔應用比重便逐漸提升，預料將從2005年的4%提升至2009年的27%。由此可見MEMS市場成長的主要驅動力量是來自於通訊相關領域的成長。
圖表二：2005年MEMS市場應用比重
資料來源：IEK
圖表三：2009年MEMS市場應用比重
資料來源：IEK
目前全球前四大MEMS廠商分別為(1)TI，主要產品為Optical MEMS，(2)HP，主要產品為Microfludics，(3)GE，主要產品為Sensor與，(4)Bosch，主要產品為車用Sensor。至於新興的MEMS麥克風市佔率最高廠商為Knowles Acoustics，單月產能達1,500萬顆，在助聽器市場享有80%市佔率。
貳、MEMS麥克風市場
根據市調機構Yole Development的資料顯示，2005年全球麥克風出貨為18.4億顆，其中MEMS麥克風出貨量為1億顆，滲透率僅達5.4%；不過到2010年全球麥克風出貨為32.2億顆，其中MEMS麥克風出貨量將會達到8億顆，滲透率躍升至24.8%。這樣強勁的成長性，主要還是受惠於MEMS相較於傳統麥克風的諸多優勢。
圖表四：MEMS麥克風市場規模預估
資料來源：Goer Tek Presentation，拓墣產業研究所
參、MEMS麥克風介紹及與ECM麥克風之比較
為什麼MEMS麥克風的市場規模將發展的如此迅速？相較於傳統的電容式麥克風，MEMS麥克風究竟有什麼樣的優勢？
首先，我們目前使用的大多數麥克風都是屬於傳統的ECM麥克風，該項技術已經有數十年歷史，而其工作原理是利用具有永久電荷隔離的聚合材料振動膜。ECM麥克風的大小通常要比MEMS麥克風來的大。MEMS麥克風封裝基板厚度可小至0.05米釐，僅為傳統QFN基板厚度0.2米釐的25%，而且其成品高度可較傳統駐極體電容式麥克風(ECM)減少約30%。此外，MEMS麥克風的耐震度可以達到10,000Gs，約為傳統ECM麥克風的三倍，然而耗電量僅為ECM麥克風的三分之一而已。
相較於ECM麥克風的聚合材料振動膜，在不同溫度下，MEMS麥克風所展現的性能都相當穩定，不會受到時間、溫度、濕度和振動的影響。MEMS麥克風的耐熱性相當強，可以承受攝氏260度的高溫回流焊，但是其性能不會有任何變化。因為MEMS麥克風優異的耐熱性，將使得SMT回流焊簡化了麥克風的製造流程，可以省略一道製造步驟，而此項可被省略的步驟目前多半是以人工手動方式進行；也就是說，MEMS麥克風可以簡化流程、縮短時間、以及節省生產成本，而且能夠提供更高的設計自由度和系統成本優勢。正也因為MEMS麥克風的感應性在組裝前後的變化相當小，所以廠商還可以節省在製造過程當中的音訊除錯成本。而傳統ECM麥克風因為耐熱性低，因此沒有辦法用來進行SMT作業。
ECM麥克風不需要ASIC提供外部偏置，但是MEMS麥克風卻需要這種偏置，而且有效的偏置將可使得整個作業只要在溫度範圍內都可以保持穩定的聲學和電氣參數。此外，MEMS晶片的外部偏置還可以支援設計具有不同靈敏度的麥克風。
MEMS麥克風的另一項優點，是可以整合在IC上的寬頻射頻抑制性能，也就是說，MEMS麥克風可以有效的降低射頻所產生的干擾。這一點不僅對行動電話這類射頻應用非常重要，而且對所有與行動電話工作原理類似的設備(如助聽器)都非常重要。
綜上所述，與目前廣泛採用的駐極體電容式麥克風相較，微機電麥克風不僅體積較小，符合電子產品走向輕、薄、短、小的趨勢之外，其所具備更強的耐熱、抗振和防射頻干擾性能，將不僅能簡化麥克風生產流程、降低生產製造成本、有利客戶製程一貫化，而且還能提供更佳的產品競爭力。MEMS麥克風的諸多特性特別適用於手機，雖然新型MEMS麥克風的還有其他潛在的優勢尚待發掘，但是第一批採用MEMS技術的產品已經在多項應用上展現出許多優勢，尤其是在中高階的手機部份。
圖表五：MEMS麥克風封裝立體圖
圖表六：MEMS麥克風封裝解析圖
圖表 七：ECM麥克風與 MEMS麥克風電路與構造比較
資料來源：Goer Tek Presentation，拓墣產業研究所
肆、MEMS麥克風產品陸續推出
在拓展MEMS麥克風市場時，半導體製造商必須具備核心元件開發能力。首先是MEMS設計和製造能力，其次是ASIC設計和製造能力，最後是大量低成本封裝能力。不過，一直以來，音訊元件公司總佔據著幾乎整個MEMS麥克風市場，但這些公司必須仰賴半導體代工廠提供相關技術並與他們共享利潤。目前英飛凌已推出一系列矽晶MEMS麥克風產品，首款元件即為SMM310。像英飛凌這類整合元件公司(IDM)的進入，意味著MEMS市場將出現全新選擇，而擁有製造及封裝技術，也能降低元件購買者的風險。
英飛淩推出的SMM310，這是一款SMT類比輸出單端麥克風，包含了MEMS和ASIC兩顆晶片，而這兩顆晶片一起被封裝在一個表面貼裝元件當中。MEMS晶片包括一個剛性穿孔背電極和一片彈性矽膜，可作為電容，並將聲壓轉換為電容變化；而ASIC晶片則用於檢測MEMS電容變化，並將其轉換為電訊號，傳遞給相關處理元件，如基頻處理器或放大器等。由於ASIC晶片採用標準的IC技術，因此這種雙晶片封裝能夠快速為ASIC增添額外功能，包括額外構件(如音訊訊號處理、RF屏蔽等)，以及任何可以整合在標準IC上的功能。因此SMM310與駐極體電容麥克風內部的訊號處理電子元件基本上並無差別，但在ECM麥克風中，若要增加功能，就必須添加IC，而在MEMS麥克風中，只需在IC上添加額外的專用功能即可。
SMM310和其他MEMS麥克風一樣，也具有輕薄短小、省電、抗震的特性。在音訊方面也會產生許多變化。此外，SMM310針對人聲進行了最佳化，但是在20Hz~20kHz的頻率範圍內，還有較高的聲學感應性。SMM310其他的優點還包括，他有一個金屬蓋，可以對射頻進行屏蔽，以降低射頻干擾。SMM310的直徑不到1mm的小型薄膜，其重量同樣輕巧，這意味著與ECM相較，MEMS麥克風會對PCB噪音產生更低的振動耦合。
雖然MEMS產業受限於結構的多樣化導致難以採用標準製程，成為MEMS產業發展過程中的一大瓶頸。但隨著CMOS技術的不斷成熟，將前級放大和A/D等信號調理電路和微傳感器整合在一個晶片中已不是不可能，一些業界領先企業還開發出可完全用標準CMOS技術生產的MEMS產品。例如Akustica利用CMOS設備和MEMS代工廠生產出MEMS麥克風晶片；Akustica開發出單晶片MEMS麥克風，將ECM微型駐極電容器麥克風的所有功能，包括一個分離式FET、一個獨立型運算前置放大器晶片，以及一個類比數位轉換器晶片整合在單一CMOS MEMS MIC晶片。
Akustica公司發佈宣稱是全球最小的麥克風。這款僅有1-mm2大小的麥克風採用了一個微機電系統振膜和晶片上互補型CMOS類比電路。該整合晶片佔位面積只有其他雙晶片MEMS麥克風競爭產品的25%。Akustica的這種小型類比MEMS麥克風非常適用於手機，而且，採用單晶片的產品可說是意義重大，畢竟在封裝時會佔用較多的空間，而採用單晶片解決方案將使用戶能夠直接把它貼裝在電路板或可撓性基板上，甚至分別根據需求來進行特殊的多晶片封裝。
其該領域的他競爭公司如樓氏電子(Knowles Acoustics)的類比MEMS麥克風解決方案則採用雙晶片解決方案。例如，Knowles分別貼裝自有的2.5 mm2MEMS振膜晶片，並與ASIC並排置放，再透過線接合把振膜的原始輸出饋入ASIC。這種雙晶片解決方案採用4.72 x 3.76 mm 的17.75 mm2的封裝。
簡而言之，雖然過去MEMS麥克風主要應用在助聽器等醫療用途，但因為具有輕薄短小、省電、抗震的特性，特別適用於手機當中，因此未來將逐漸取代ECM麥克風，成為相關MEMS廠商的商機；而那些能夠提供小尺寸、易於整合的元件，並會充分利用半導體在製造和成本結構之優勢的廠商終將成功勝出。
