壓電MEMS麥克風&電容MEMS麥克風比較探討

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Yole Développement在最新的產業報告《應用於手機和平板電腦的傳感器-2016版》中，預測壓電MEMS麥克風將在未來幾年獲得穩定成展。如下市場預測圖示， 2017年以後其成長將嚴重威脅電容MEMS麥克風市場空間, 對於電容MEMS麥克風業者而言, 因為對其技術真正優缺點所知有限, 無法確認其技術是否具有真正的潛力與威脅, 也難以制定後續因應策略, 僅能由Vesper在市面上提供的樣品, 先去分析了解其技術的競爭力。

為掌控壓電MEMS麥克風技術特點, 須先了解壓電薄膜具有的材料特性, 才能做進一步分析與判斷; 在未知Vesper應用的壓電材料狀況下, 本文僅能由一般壓電薄膜的特性去推演其優缺點, 所幸壓電薄膜在壓電材料屬於特殊應用, 由邏輯推敲找到類似的應用材料並不難。以下分析區分兩段落, 先是以推理得出壓電麥克風薄膜材料, 接著依據材料特性, 探討壓電MEMS麥克風&電容MEMS麥克風的特性比較。

哪一種壓電材料適合做為麥克風薄膜應用:

壓電主要材料區分為壓電單晶、陶瓷壓電材料、以及高分子壓電材料。在其衍生應用來看, 大多數的壓電材料做為發射器或接收器使用, 規格大多應用在其諧振頻率點,  但對於麥克風薄膜來說, 其應用並非於諧振頻率點, 參考下方右圖曲線所示, 應用區域是圖中紅框的平坦曲線部分, 此曲線區域需求低聲學阻抗特性，並具備柔軟與輕薄的條件, 方能符合於高感度麥克風薄膜設計。綜觀以上三種壓電材料, 僅有高分子壓電材料符合此特性需求, 但高分子壓電材料缺點為壓電特性不顯著,  需進行極化程序以使極子為規則排列, 才能成為正常可用的壓電材料, 而極化的電壓通常必須大於2000v/mm。

高分子壓電材料又可分為四類：一. 光活性高聚物 二.鐵電高分子 三.極性高分子 四.壓電復合物。 如果以具備柔軟、耐水、耐塵, 以及化學抵抗性能等特性切入, 則可直接收斂於塑膠材料, 如鐵電高分子與極性高分子, 而其中鐵電高分子符合質輕以及易加工各種面積等特性, 所以我們鎖定在鐵電高分子材料分析, 其工程塑膠熱性質特性表, 可以參考下表:

鐵電高分子材料熱性質特性表

PTFE是鐵電高分子材料具有耐溫較高特性, 但機械性能較差, 硬度較低沒有回彈性, 線膨脹係數較大與其它材料複合易發生變形開裂等現象, 以及價格比其它塑膠貴, 所以不適用在麥克風震膜應用。而PVDF與其他材料相比, 具有頻響寬、動態範圍大、力電轉換靈敏度高、機械性能強、聲阻抗易匹配等特點，並具有重量輕、柔軟不脆、耐衝擊、不易受水和化學藥品的污染、易製成任意形狀及面積不等的片或管等優勢。PVDF壓電膜在厚度方向的伸縮振動的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦回應，頻響寬度遠優於普通壓電陶瓷換能器, PVDF壓電膜在麥克風震膜的應用設計, 具備諸多的絕對優勢, 因此它是一種極具發展的換能高分子材料, 目前的應用範圍已非常廣泛, 可以參考如下的範例:

壓電MEMS麥克風&電容MEMS麥克風的比較探討:

一.        壓電式MEMS麥克風相較於電容式MEMS麥克風, 其應用的優缺點為何?
壓電式MEMS麥克風結構簡單, 參考下方圖示, 沒有微型間隙造成卡塵故障的風險, 並且薄膜具備耐水氣性能, 對於潮濕與塵害的工業應用或戶外環境, 可以不需要增加額外的保護成本直接使用,  並在惡劣環境條件下, 可以保有穩定性能。

壓電式MEMS麥克風若以PVDF薄膜設計 (註: 目前尚未確定Vesper是否使用類似PVDF材料), 最大的罩門應在於耐溫限制, 在80℃以下應可長期使用無虞, 但在高達160℃以上使用振膜將產生熱變形, 而在產生熱變形過程中, 可能影響極化極子的排列規則, 因而改變薄膜本身的壓電特性, 所以推測壓電式麥克風因為溫度的限制, 可能無法像電容式MEMS麥克風元件可以直接通過錫爐，適用於SMT自動組裝產線。

二.         關於壓電式MEMS麥克風產品一致性的探討?
PVDF壓電膜比石英、PzT等具有壓電常數大的特點，然而壓電式MEMS麥克風的薄膜需要縮小到微小尺寸之下, 所伴隨而來的問題是壓電效應的誤差增加, 因而形成壓電式麥克風生產特性變異量擴大, 即便其機械結構比較簡單, 要能達到CMOS製程製作電容MEMS麥克風的一致性, 恐怕也是不太容易。

另外, Vesper稱其壓電式MEMS麥克風, 非常適合於麥克風陣列應用, 其論述偏重於環境污染物（比如水、灰塵和顆粒物）, 對麥克風造成損壞的影響, 但若避開塵害工業或戶外潮濕環境應用,  純粹使用在一般消費性產品之中, 其實麥克風發生損壞的機率並不高, 即使發生變異也是造成麥克風陣列一致性問題, 因而形成指向誤差或是指向強度變差, 但話說回來, 壓電式MEMS麥克風如果也存在一致性的問題, 對於麥克風陣列實質應用也是缺乏競爭優勢。

三.        壓電式MEMS麥克風與電容式MEMS麥克風, 感度特性的差異?
由PVDF壓電薄膜特性探討得知, 縮小壓電薄膜尺寸, 除了造成共頻點提高, 同時將降低聲音感測的靈敏度, 參考下方示意圖示之黑色與橙色曲線,。 如圖電容式MEMS麥克風的綠色曲線, 此相對於壓電式MEMS麥克風感度曲線平坦許多, 而壓電式麥克風高低頻的感度差異較大, 在麥克風應用時, 最好對感測的信號做Calibration處理為宜。

四.        壓電式MEMS麥克風與電容式MEMS麥克風,  SNR與功耗比較?
InvenSense開發了一款電容式MEMS麥克風，其信噪比達到了70dB，是目前市場上信噪比最高的產品, 但該麥克風的封裝尺寸非常大，因為它須使用了4個MEMS振膜。 如果容式MEMS麥克風須利用4個振膜, 才能達到70dB的信噪比，這說明電容式MEMS麥克風若沒有新方法突破下, 這可能已經是目前電容式MEMS技術發展的極限!

Vesper在媒體揭露其產品使用單一振膜技術,  SNR可達到68 dB的水平，其性能幾乎是目前高階65 dB SNR電容式MEMS麥克風的兩倍, Vesper同時宣稱通過已知的方法，可以獲得超過75dB的信噪比，理論上甚至可以超過80dB。我們經由PVDF壓電薄膜的研究, 已知提高信噪比可以著力在兩個處理方式, 一是發展更高效能的薄膜材料極化方式，便可提升整體電耦合效果, 提高機械能轉換成電能的性能; 另外一個方式, 可以考量在壓電薄膜使用摻雜技術手段，獲得更高的耦合係數, 並降低薄膜厚度保持高感度特性。

最後在功耗方面,  壓電式MEMS麥克風直接以機械能轉換成電能, 無須像電容式MEMS麥克風需求Charge Pump升壓電路, 不僅減少設計元件也可以減少功耗, 關於最低功耗, 依據Vesper 宣稱僅需消耗3µA的電能, 明顯優於電容式MEMS麥克風的耗電。

五.        壓電式MEMS麥克風與電容式MEMS麥克風,  其他比較?
提供Vesper的比較摘要, 參考如下: