“技术创新+质量管理”成就英飞凌MEMS领先地位

原创 MEMS 2023-06-19 00:01

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微访谈：英飞凌电源与传感系统事业部大中华区产品管理经理杨庆

采访背景：随着消费类音频电子设备对用户体验的孜孜追求、对各种功能的推陈出新，同时也得益于苹果AirPods等爆款产品的潮流引领，业界对MEMS麦克风（或称为硅麦克风）的性能要求不断提高。例如，指向性降噪及远场语音识别功能需要一致性好（灵敏度、相位、频率响应）、信噪比（SNR）高（68dB以上）的MEMS麦克风；主动降噪功能对于在大声压、低失真场景下的应用也提出了要求，为此MEMS麦克风需要具有更高的声学过载点（130dB以上）和更好的低频响应（15~20Hz保持平坦），以避免输出信号的失真，从而保证降噪系统正常工作；此外，采用电池供电的可穿戴设备还对MEMS麦克风的低功耗具有强烈的需求。为满足上述日益增长的性能要求，MEMS麦克风芯片市场领导者英飞凌（Infineon）近日举办了一场“英飞凌XENSIV™硅麦克风”主题线上研讨会，为大家介绍了支持更高信噪比和IP57级别防护的XENSIV™硅麦克风新产品及目标应用领域。麦姆斯咨询会后采访了英飞凌电源与传感系统事业部大中华区产品管理经理杨庆。

英飞凌电源与传感系统事业部大中华区产品管理经理杨庆

麦姆斯咨询：杨经理，您好！感谢您接受麦姆斯咨询的采访！首先请您做一下自我介绍，以及在英飞凌的业务职责。

杨庆：大家好，我是杨庆，目前任职于英飞凌电源与传感系统事业部大中华区产品管理经理，主要负责MEMS声学传感器和压力传感器，多年从事音频开发和MEMS麦克风的研究工作，对MEMS麦克风产品以及相关应用有着丰富的经验。

麦姆斯咨询：据研究机构Omdia在2022年末发布的MEMS麦克风市场报告显示，2021年英飞凌的MEMS麦克风裸芯片市场份额已经提升至惊人的45%，连续多年稳居全球MEMS麦克风裸芯片市场领导地位，英飞凌保持领先背后的核心优势有哪些？

杨庆：在我看来，英飞凌的领先优势一方面取决于英飞凌对核心技术的不断创新，对更高声学性能的不断追求；另一方面在于英飞凌对产品质量的严格管控和高效的技术支持，这两方面因素使得英飞凌的MEMS产品具备更强的竞争力，同时也稳定了英飞凌在MEMS麦克风行业内的领先地位。

麦姆斯咨询：请简要介绍英飞凌XENSIV™系列产品线，以及MEMS芯片技术的演进。

杨庆：XENSIV™是英飞凌的产品商标，我此次研讨会分享的就是XENSIV™系列的MEMS麦克风。MEMS麦克风由最早的单背板（Single-back plate）技术发展到现在经历了将近20年。简单来说，单背板结构就是一块儿背极板配合着一层振膜，当振膜受到声压作用时会在背极板上方振动，利用振膜与背极板之间的距离变化关系传递电容信号的变化，这就是MEMS麦克风将空气振动的机械能转换为电能的基本感测原理。单背板架构如下图所示：

英飞凌单背板（Single-back plate）架构示意图

由于单背板MEMS麦克风输出的是一个单端信号，为了增强MEMS麦克风的抗干扰能力，降低本底噪音，提高MEMS麦克风的信噪比，2017年，英飞凌成功量产了采用双背板（Dual-back plate）技术差分输出的MEMS麦克风产品，例如IM69D130、IM69D120等，将MEMS麦克风的信噪比提升到了69dB。

英飞凌双背板（Dual-back plate）架构示意图

为了能够在消费级电子产品中实现录音棚级别的音频用户体验，同时进一步提高MEMS麦克风产品的可靠性，增强抗污染及防水能力，英飞凌于2021年又成功量产了采用密封双振膜（Sealed dual-membrane, SDM）技术的新产品：IM73A135，信噪比进一步提高到了73dB，同时MEMS麦克风单体就能具备IP57级别的防尘和防水能力。

英飞凌密封双振膜（Sealed dual-membrane, SDM）架构示意图

麦姆斯咨询：此次带来的新款MEMS麦克风IM69D128S有何特性和性能优势？

杨庆：IM69D128S采用的就是SDM密封双振膜的MEMS架构，主打低功耗和高性能。这款MEMS麦克风特别适合对功耗要求比较高的便携式电子设备。MEMS麦克风要同时满足高信噪比、低功耗、IP57防护这三方面的需求，对MEMS技术、制造工艺和产品管理提出了非常高的挑战。IM69D128S不仅具备69dB的信噪比，同时在高性能模式下工作电流只有520μA，而且产品自身就能支持IP57级别的防尘和防水。

IM69D128S产品图

麦姆斯咨询：IM69D128S要面向哪些应用场景和用户需求而开发？请举例一些潜在的应用终端产品。

杨庆：主动降噪（ANC）、透传、高清录音、远距离语音交互等应用都需要高信噪比MEMS麦克风。同时，便携式电子产品期望具备更长的电池续航能力，而通话过程至少需要两颗甚至三颗麦克风的参与。因此，长时间通话以及永久在线（Always on）语音唤醒等场景，使麦克风的能耗非常高，所以降低麦克风功耗也是英飞凌的重点研发方向之一。

凭借高性能和低功耗的优势，IM69D128S理想地适用于具备主动降噪功能的TWS耳机和头戴式无线耳机，以及增强现实（AR）眼镜、无线麦克风、智能平板等多种终端产品。

麦姆斯咨询：请您详细讲解IM69D128S采用的核心技术，例如英飞凌的密封双振膜（SDM）MEMS技术。

杨庆：如下图所示，在密封双振膜（SDM）结构中，有两层振膜分布在背极板的上下两侧，这两层振膜与基板（Substrate）之间的连接是完全密封的，异物无法侵入，而且整个振动区域接近真空，这提供了一个非常好的振动环境，有效降低了因振动引起的噪声。同时，差分输出抑制了信号传输线上的共模干扰，将MEMS麦克风的底噪控制做到了极致。受益于这种密封双振膜的设计，我们在MEMS麦克风单体上实现了IP57级别的防护。

英飞凌MEMS芯片（左）和密封双振膜结构示意图（右）

麦姆斯咨询：除了IM69D128S这一颗麦克风以外，请问英飞凌还有其它高性能麦克风可以推荐吗？

杨庆：目前，我们主推的产品包括4颗数字麦克风和3颗模拟麦克风，它们的信噪比在68dB~73dB之间，声学过载点（AOP）都在128 dB SPL以上，甚至达到135 dB SPL。下面我为大家简单介绍一下这几款产品的特性和应用。

MEMS数字麦克风系列：英飞凌目前量产的MEMS数字麦克风共有4款产品，分别是IM72D128、IM73D122、IM69D128S和IM70D122。“IM”是Infineon MEMS的缩写，紧随其后的两位数字（例如72）指的是信噪比（72dB）,“D”意味着这是一颗数字麦克风，最后3位数字（例如128）指的是产品的AOP，所以从产品名称上大家就能看出基本的性能指标。

IM72D128和IM73D122的外观尺寸都是3 mm x 4 mm x 1.2 mm，而且pin脚完全兼容，它们的区别主要在于器件的灵敏度。IM72D128的灵敏度为-36dB FS，AOP达到128dB SPL，同时信噪比高达72dB。IM73D122的灵敏度虽然提高了10dB FS，但信噪比仍然提升到了73dB。

IM69D128S和IM70D122的尺寸更小一些，都是2.65 mm x 3.5 mm x 0.98 mm，二者的pin脚定义完全兼容，区别一方面在于灵敏度（前者的灵敏度为-37dB FS，后者为-26dB FS），另一方面AOP和信噪比也有些差异。除此以外，IM69D128S的ASIC芯片采用了全新的设计，可以把高性能模式下的功耗降低至约520μA，尽可能降低了MEMS麦克风单体端的能耗。

MEMS模拟麦克风系列：英飞凌目前共有3款MEMS模拟麦克风产品，分别是IM73A135、IM70A135和IM68A130。从物料名称上就可以看出，这三款产品的信噪比从73dB逐个降低到68dB，这主要是因为产品尺寸越来越小，从3 mm x 4 mm x 1.2 mm缩小到3.35 mm x 2.5 mm x 1.0 mm。在有限的空间内，我们尽可能的把声学性能发挥到极致。IM73A135的信噪比高达73dB，AOP最高支持135dBSPL，同时THD可以控制在10%以内，其实小于1% THD的AOP仍然可以支持到132dB SPL。IM70A135的尺寸更小，但AOP保持135dB SPL，在这样的条件下信噪比仍然能够实现70dB。IM68A130的尺寸只有3.35 mm x 2.5 mm x 1.0 mm，具备68dB的信噪比和130dB SPL的AOP，它的功耗最低，CF-Low Frequency Cutoff Point也是最低，低频可以支持到10Hz。