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关于MEMS麦克风的功能分析介绍

发布时间: 2019-09-07 点击数:

  今年以来,由于Amazon Echo,Google Home的持续火热,加上苹果和小米的相继入局,被誉为未来家居中控最好选择的“智能音箱”市场进入了大爆发阶段,进而给上游供应链带来了巨大利好。除了联发科和瑞芯微这些做主控的厂商以外,智能音箱“控制入口”所依仗的MEMS麦克风继续智能手机时代大热之后,再次迎来了一波新高潮。

  近年来,随着物联网概念的兴起,早已存在的智能家居又搭着这股东风重新火热起来。除了电视、冰箱、空调和风扇以外,如什么电灯、窗帘等也都成为了智能家居厂商“下手”的对象。但是如何控制这些设备,成为开发者和消费者关注的话题。在经历了不同设备不同遥控器、手机统一遥控、第三方遥控统一这些尝试以后,终于迎来了智能音箱这个用语音来控制的形态。

  按照这种方向发展,最后的应用场景就像小罗伯特唐尼在《钢铁侠》里面跟Jarvis对话一样。这样简便的操控背后的市场必然巨大,加上入口的吸引了,因此吸引了无数厂商混战其中。

  为了更好地拾取声音,现在流行的智能音箱都是采用麦克风阵列的架构。根据科大讯飞的相关科普,所谓的麦克风阵列(Microphone Array),从字面上,指的是麦克风的排列。也就是说由一定数目的声学传感器(一般是麦克风)组成,用来对声场的空间特性进行采样并处理的系统。

  早在20世纪70、80年代,麦克风阵列已经被应用于语音信号处理的研究中,进入90年代以来,基于麦克风阵列的语音信号处理算法逐渐成为一个新的研究热点。而到了“声控时代”,这项技术的重要性显得尤为突出。

  科大讯飞继续表示,麦克风阵列则能达成语音增强、声源定位、去混响、声源信号提取(分离)等功能,这就为在复杂环境中执行语音控制提供了可能。这种多个麦克风组成的阵列大大推动了MEMS麦克风的需求。

  以现在最流行的智能音箱Amazon Echo为例,它采用的是环形6+1的麦克风阵列(上图绿色标志的位置),其面市迄今近千万的销量,加上其他品牌智能音箱源源不断的需求推动。对于MEMS麦克风的制造商来说,这无疑是一管兴奋剂。加上MEMS麦克风在智能手机、智能手表、平板电脑、汽车等其他领域的应用,MEMS麦克风市场在迅速崛起。。

  根据调研机构Yole预测,2017年MEMS麦克风的市场将会达到10亿美元,并在接下来的几年保持11.3%的年复合增长率,有利润的地方就吸引了足够多的关注。

  在谈MEMS麦克风的市场之前,我们先了解一下什么是MEMS麦克风,这就要求我们必须知道什么是MEMS。

  所谓MEMS (Micro ElectroMechanical System,微机电系统),就是利用半导体制程技术,整合电子及机械功能制作而成的微型装置;其定义为一个智能型微小化的系统,包含传感、处理或致动的功能,包含两个或多个电子、机械、光学、化学、生物、磁学或其他性质整合到一个单一或多芯片上。

  据ADI的一篇文章介绍,MEMS 麦克风包含一个灵活悬浮的薄膜,它可在一个固定背板之上自由移动,所有元件均在一个硅晶圆上制造。该结构形成一个可变电容,固定电荷施加于薄膜与背板之间。传入的声压波通过背板中的孔,引起薄膜运动,其运动量与压缩和稀疏波的幅度成比例。这种运动改变薄膜与背板之间的距离,进而改变电容,如下图所示。在电荷恒定的情况下,此电容变化转换为电信号。

  相较于ECM麦克风的聚合材料振动膜,在不同温度下,MEMS麦克风所展现的性能都相当稳定,不会受到时间、温度、湿度和振动的影响。MEMS麦克风的耐热性相当强,可以承受摄氏260度的高温回流焊,但是其性能不会有任何变化。再加上MEMS麦克风可以有效的降低射频所产生的干扰,这就让其逐渐发展成为麦克风主流。和很多其他半导体相关领域一样,MEMS麦克风这个市场,同样是由几个巨头垄断的市场。不同的是,当中有两家是来自中国的企业,这在其他半导体相关领域是非常罕见的。

  据IHS的数据显示,2015年全球的MEMS麦克风市场几乎被楼氏、歌尔、瑞声科技和ST四家给垄断,其中尤其以楼氏遥遥领先,其出货量约占了全球出货量的43%。排名第二的歌尔声学和第三的瑞声科技的当年的市场份额分别约为18%和14%。紧随其后的是ST,其在2015年MEMS麦克风供应中约占10%。下面我们来看一下这四大企业的概况。

  楼氏电子是1946年由Hugh Knowles创立。成立的第二年,公司就开发出了第一款晶体管式微型麦克风,多年的开拓也给楼氏带来了不少的客户和收益,就连上世纪六十年代末阿姆斯特朗在月球上讲话的声音,也是通过楼氏电子的设备放大的。

  在发展早年,消费电子使用的麦克风都是驻极体电容麦克风,这种设备与生俱来带有体积庞大、声音降噪能力差的缺点。为了进一步提升体验,楼氏电子在1996年搭建了MEMS系统,并与2002年推出了第一款的SiSonic MEMS麦克风。因为其先天优势,逐渐受到了移动设备的欢迎。

  接下来,伴随着智能移动设备的爆发,楼氏电子的MEMS麦克风也进入了快车道。从2003年卖第一颗MEMS麦克风给日本京瓷到今年三月份的十几年间,楼氏电子已经售出了100亿颗SiSonic MEMS麦克风。

  第二名的歌尔声学则是来自中国山东的一个企业。这家成立于2001年的企业同样是一个专注于消费类电声产品研发和制造的企业。该公司创始人姜滨原先是山东潍坊市无线电八厂的一个车间技术员。上世纪九十年代,这家做微型话筒的厂子倒闭了以后,姜滨就和同事创建了一家小私营企业,从事同样的业务。直到2001年,他和妻子胡双美创立了歌尔声学,进而打造了一个国内MEMS麦克风龙头。

  最近几年,歌尔声学业绩暴涨,相信这与歌尔声学打入苹果iPhone供应链有强关系。据IHS的数据,2015年,歌尔声学营收的70%来自于苹果,这是歌尔传奇的一个保证。

  瑞声科技则是国内MEMS麦克风的另一个传奇,这家1993年成立于广东深圳的高科技企业在今年五月份还被卷入了一单“做空”风波中。不过可以肯定的是,同为苹果供应商的瑞声科技也是国内MEMS产业的一个佼佼者。

  自从2005年上市以来,瑞声科技的股价涨了10几倍,毛利也维持在比较高的水平。

  至于ST就不用说了,作为MEMS的大玩家,虽然在MEMS麦克风他们市场份额不高,但在MEMS传感器的其他领域,他们拥有绝对的优势。

  从营收或者市值上看,毫无疑问,在这波MEMS麦克风的需求潮中,中国企业成为最大的赢家。

  前面提到,MEMES麦克风主要是由MEMS芯片和一个ASIC芯片组成,当中尤其以MEMS芯片最为重要。行内人士告诉半导体行业观察记者,在制造MEMS芯片的过程中,需要将MEMS的部分按需要掏空,作为声音震动的压强感应,这就需要用到wet etch来掏空内部,这里非常考验技术,也有比较高的壁垒。

  现在的MEMS die供应商有英飞凌、Sony,另外还有XFab、ST、博世和TSMC等,但英飞凌和索尼占领了约80%的市场。

  如果一直按照这种方式发展,各司其职,对于现在的MEMS麦克风供应商来说,一切都是极好的。但现在英飞凌做了一个决定,让他们对自己的前途又有了新的思考。

  作为全球最大的MEMS die供应商,英飞凌也对MEMS麦克风的火热不淡定了起来。拥有MEMS die设计绝对优势的英飞凌在月初宣布,将进军封装硅麦克风市场,以满足市场对高性能、低噪声MEMS麦克风的需求。这次推出的模拟和数字麦克风基于英飞凌的双背板MEMS技术,70 dB信噪比(SNR)使其脱颖而出。同时该麦克风在135 dB声压级(SPL)时失真度非常低10%。这款麦克风采用4 mm x 3 mm x 1.2 mm MEMS封装,非常适于高品质录音和远场语音捕获应用。

  这样简单粗暴的切入,应该会对MEMS麦克风供应商市场造成不少的影响。尤其是国内几家购买英飞凌裸晶的厂商。

  其次,从价格看,这些年来MEMS麦克风的 ASP持续走低,如何提高自身产品竞争优势,争取更多市场,也成为了各大供应商需要考虑的重点问题。

  在技术方面,随着智能音箱这类设备的兴起,在嘈杂环境下使用MEMS麦克风的情况会成为主流,对于麦克风来说,如何进一步提高SNR和抗射频干扰特性,提高自己在封装设计方面的实力,就是硅麦供应商需要考虑的重中之重。498888王中王开奖结果