關(guān)于MEMS麥克風(fēng)的功能分析介紹

今年以來，由于Amazon Echo，Google Home的持續(xù)火熱，加上蘋果和小米的相繼入局，被譽(yù)為未來家居中控最好選擇的“智能音箱”市場(chǎng)進(jìn)入了大爆發(fā)階段，進(jìn)而給上游供應(yīng)鏈帶來了巨大利好。除了聯(lián)發(fā)科和瑞芯微這些做主控的廠商以外，智能音箱“控制入口”所依仗的MEMS麥克風(fēng)繼續(xù)智能手機(jī)時(shí)代大熱之后，再次迎來了一波新高潮。

智能音箱將MEMS麥克風(fēng)推向新的高潮

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，早已存在的智能家居又搭著這股東風(fēng)重新火熱起來。除了電視、冰箱、空調(diào)和風(fēng)扇以外，如什么電燈、窗簾等也都成為了智能家居廠商“下手”的對(duì)象。但是如何控制這些設(shè)備，成為開發(fā)者和消費(fèi)者關(guān)注的話題。在經(jīng)歷了不同設(shè)備不同遙控器、手機(jī)統(tǒng)一遙控、第三方遙控統(tǒng)一這些嘗試以后，終于迎來了智能音箱這個(gè)用語(yǔ)音來控制的形態(tài)。

按照這種方向發(fā)展，最后的應(yīng)用場(chǎng)景就像小羅伯特唐尼在《鋼鐵俠》里面跟Jarvis對(duì)話一樣。這樣簡(jiǎn)便的操控背后的市場(chǎng)必然巨大，加上入口的吸引了，因此吸引了無數(shù)廠商混戰(zhàn)其中。

Iron Man“吩咐”人工智能機(jī)器人Jarvis工作。（sorce：internet）

為了更好地拾取聲音，現(xiàn)在流行的智能音箱都是采用麥克風(fēng)陣列的架構(gòu)。根據(jù)科大訊飛的相關(guān)科普，所謂的麥克風(fēng)陣列（Microphone Array），從字面上，指的是麥克風(fēng)的排列。也就是說由一定數(shù)目的聲學(xué)傳感器（一般是麥克風(fēng)）組成，用來對(duì)聲場(chǎng)的空間特性進(jìn)行采樣并處理的系統(tǒng)。

早在20世紀(jì)70、80年代，麥克風(fēng)陣列已經(jīng)被應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)處理的研究中，進(jìn)入90年代以來，基于麥克風(fēng)陣列的語(yǔ)音信號(hào)處理算法逐漸成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。而到了“聲控時(shí)代”，這項(xiàng)技術(shù)的重要性顯得尤為突出。

科大訊飛繼續(xù)表示，麥克風(fēng)陣列則能達(dá)成語(yǔ)音增強(qiáng)、聲源定位、去混響、聲源信號(hào)提?。ǚ蛛x）等功能，這就為在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行語(yǔ)音控制提供了可能。這種多個(gè)麥克風(fēng)組成的陣列大大推動(dòng)了MEMS麥克風(fēng)的需求。

Amazon Echo的拆解（綠色圈起來的就是MEMS麥克風(fēng)S1053 0090 V6，source：ifixit）

以現(xiàn)在最流行的智能音箱Amazon Echo為例，它采用的是環(huán)形6+1的麥克風(fēng)陣列（上圖綠色標(biāo)志的位置），其面市迄今近千萬的銷量，加上其他品牌智能音箱源源不斷的需求推動(dòng)。對(duì)于MEMS麥克風(fēng)的制造商來說，這無疑是一管興奮劑。加上MEMS麥克風(fēng)在智能手機(jī)、智能手表、平板電腦、汽車等其他領(lǐng)域的應(yīng)用，MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)在迅速崛起。。

根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè)，2017年MEMS麥克風(fēng)的市場(chǎng)將會(huì)達(dá)到10億美元，并在接下來的幾年保持11.3%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，有利潤(rùn)的地方就吸引了足夠多的關(guān)注。

MEMS麥克風(fēng)的未來幾年的市場(chǎng)走勢(shì)（source：Yole）

四大廠商壟斷MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)，中國(guó)居其二

在談MEMS麥克風(fēng)的市場(chǎng)之前，我們先了解一下什么是MEMS麥克風(fēng)，這就要求我們必須知道什么是MEMS。

所謂MEMS (Micro ElectroMechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))，就是利用半導(dǎo)體制程技術(shù)，整合電子及機(jī)械功能制作而成的微型裝置；其定義為一個(gè)智能型微小化的系統(tǒng)，包含傳感、處理或致動(dòng)的功能，包含兩個(gè)或多個(gè)電子、機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)、生物、磁學(xué)或其他性質(zhì)整合到一個(gè)單一或多芯片上。

MEMS麥克風(fēng)就是由MEMS芯片和一個(gè)ASIC芯片組成。

據(jù)ADI的一篇文章介紹，MEMS 麥克風(fēng)包含一個(gè)靈活懸浮的薄膜，它可在一個(gè)固定背板之上自由移動(dòng)，所有元件均在一個(gè)硅晶圓上制造。該結(jié)構(gòu)形成一個(gè)可變電容，固定電荷施加于薄膜與背板之間。傳入的聲壓波通過背板中的孔，引起薄膜運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)量與壓縮和稀疏波的幅度成比例。這種運(yùn)動(dòng)改變薄膜與背板之間的距離，進(jìn)而改變電容，如下圖所示。在電荷恒定的情況下，此電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

MEMS 麥克風(fēng)的構(gòu)造圖

相較于ECM麥克風(fēng)的聚合材料振動(dòng)膜，在不同溫度下，MEMS麥克風(fēng)所展現(xiàn)的性能都相當(dāng)穩(wěn)定，不會(huì)受到時(shí)間、溫度、濕度和振動(dòng)的影響。MEMS麥克風(fēng)的耐熱性相當(dāng)強(qiáng)，可以承受攝氏260度的高溫回流焊，但是其性能不會(huì)有任何變化。再加上MEMS麥克風(fēng)可以有效的降低射頻所產(chǎn)生的干擾，這就讓其逐漸發(fā)展成為麥克風(fēng)主流。和很多其他半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域一樣，MEMS麥克風(fēng)這個(gè)市場(chǎng)，同樣是由幾個(gè)巨頭壟斷的市場(chǎng)。不同的是，當(dāng)中有兩家是來自中國(guó)的企業(yè)，這在其他半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域是非常罕見的。

據(jù)IHS的數(shù)據(jù)顯示，2015年全球的MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)幾乎被樓氏、歌爾、瑞聲科技和ST四家給壟斷，其中尤其以樓氏遙遙領(lǐng)先，其出貨量約占了全球出貨量的43%。排名第二的歌爾聲學(xué)和第三的瑞聲科技的當(dāng)年的市場(chǎng)份額分別約為18%和14%。緊隨其后的是ST，其在2015年MEMS麥克風(fēng)供應(yīng)中約占10%。下面我們來看一下這四大企業(yè)的概況。

2015年MEMS麥克風(fēng)供應(yīng)商營(yíng)收前十廠商（source：IHS）

樓氏電子是1946年由Hugh Knowles創(chuàng)立。成立的第二年，公司就開發(fā)出了第一款晶體管式微型麥克風(fēng)，多年的開拓也給樓氏帶來了不少的客戶和收益，就連上世紀(jì)六十年代末阿姆斯特朗在月球上講話的聲音，也是通過樓氏電子的設(shè)備放大的。

在發(fā)展早年，消費(fèi)電子使用的麥克風(fēng)都是駐極體電容麥克風(fēng)，這種設(shè)備與生俱來帶有體積龐大、聲音降噪能力差的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提升體驗(yàn)，樓氏電子在1996年搭建了MEMS系統(tǒng)，并與2002年推出了第一款的SiSonic MEMS麥克風(fēng)。因?yàn)槠湎忍靸?yōu)勢(shì)，逐漸受到了移動(dòng)設(shè)備的歡迎。

樓氏電子的SiSonic MEMS麥克風(fēng)（source：樓氏電子）

接下來，伴隨著智能移動(dòng)設(shè)備的爆發(fā)，樓氏電子的MEMS麥克風(fēng)也進(jìn)入了快車道。從2003年賣第一顆MEMS麥克風(fēng)給日本京瓷到今年三月份的十幾年間，樓氏電子已經(jīng)售出了100億顆SiSonic MEMS麥克風(fēng)。

第二名的歌爾聲學(xué)則是來自中國(guó)山東的一個(gè)企業(yè)。這家成立于2001年的企業(yè)同樣是一個(gè)專注于消費(fèi)類電聲產(chǎn)品研發(fā)和制造的企業(yè)。該公司創(chuàng)始人姜濱原先是山東濰坊市無線電八廠的一個(gè)車間技術(shù)員。上世紀(jì)九十年代，這家做微型話筒的廠子倒閉了以后，姜濱就和同事創(chuàng)建了一家小私營(yíng)企業(yè)，從事同樣的業(yè)務(wù)。直到2001年，他和妻子胡雙美創(chuàng)立了歌爾聲學(xué)，進(jìn)而打造了一個(gè)國(guó)內(nèi)MEMS麥克風(fēng)龍頭。

最近幾年，歌爾聲學(xué)業(yè)績(jī)暴漲，相信這與歌爾聲學(xué)打入蘋果iPhone供應(yīng)鏈有強(qiáng)關(guān)系。據(jù)IHS的數(shù)據(jù)，2015年，歌爾聲學(xué)營(yíng)收的70%來自于蘋果，這是歌爾傳奇的一個(gè)保證。

歌爾聲學(xué)MEMS麥克風(fēng)（source：歌爾聲學(xué)）

瑞聲科技則是國(guó)內(nèi)MEMS麥克風(fēng)的另一個(gè)傳奇，這家1993年成立于廣東深圳的高科技企業(yè)在今年五月份還被卷入了一單“做空”風(fēng)波中。不過可以肯定的是，同為蘋果供應(yīng)商的瑞聲科技也是國(guó)內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)的一個(gè)佼佼者。

自從2005年上市以來，瑞聲科技的股價(jià)漲了10幾倍，毛利也維持在比較高的水平。

至于ST就不用說了，作為MEMS的大玩家，雖然在MEMS麥克風(fēng)他們市場(chǎng)份額不高，但在MEMS傳感器的其他領(lǐng)域，他們擁有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

從營(yíng)收或者市值上看，毫無疑問，在這波MEMS麥克風(fēng)的需求潮中，中國(guó)企業(yè)成為最大的贏家。

大挑戰(zhàn)近在眼前

雖然MEMS麥克風(fēng)給企業(yè)帶來了不錯(cuò)的收益，但也會(huì)給他們帶來挑戰(zhàn)。

首先我們從供應(yīng)鏈上看一下。

前面提到，MEMES麥克風(fēng)主要是由MEMS芯片和一個(gè)ASIC芯片組成，當(dāng)中尤其以MEMS芯片最為重要。行內(nèi)人士告訴半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者，在制造MEMS芯片的過程中，需要將MEMS的部分按需要掏空，作為聲音震動(dòng)的壓強(qiáng)感應(yīng)，這就需要用到wet etch來掏空內(nèi)部，這里非常考驗(yàn)技術(shù)，也有比較高的壁壘。

現(xiàn)在的MEMS die供應(yīng)商有英飛凌、Sony，另外還有XFab、ST、博世和TSMC等，但英飛凌和索尼占領(lǐng)了約80%的市場(chǎng)。

2016 MEMS麥克風(fēng)的 MEMS Die市場(chǎng)份額（source: Yole）

如果一直按照這種方式發(fā)展，各司其職，對(duì)于現(xiàn)在的MEMS麥克風(fēng)供應(yīng)商來說，一切都是極好的。但現(xiàn)在英飛凌做了一個(gè)決定，讓他們對(duì)自己的前途又有了新的思考。

作為全球最大的MEMS die供應(yīng)商，英飛凌也對(duì)MEMS麥克風(fēng)的火熱不淡定了起來。擁有MEMS die設(shè)計(jì)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的英飛凌在月初宣布，將進(jìn)軍封裝硅麥克風(fēng)市場(chǎng)，以滿足市場(chǎng)對(duì)高性能、低噪聲MEMS麥克風(fēng)的需求。這次推出的模擬和數(shù)字麥克風(fēng)基于英飛凌的雙背板MEMS技術(shù)，70 dB信噪比（SNR）使其脫穎而出。同時(shí)該麥克風(fēng)在135 dB聲壓級(jí)（SPL）時(shí)失真度非常低——10%。這款麥克風(fēng)采用4 mm x 3 mm x 1.2 mm MEMS封裝，非常適于高品質(zhì)錄音和遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音捕獲應(yīng)用。

這樣簡(jiǎn)單粗暴的切入，應(yīng)該會(huì)對(duì)MEMS麥克風(fēng)供應(yīng)商市場(chǎng)造成不少的影響。尤其是國(guó)內(nèi)幾家購(gòu)買英飛凌裸晶的廠商。

其次，從價(jià)格看，這些年來MEMS麥克風(fēng)的 ASP持續(xù)走低，如何提高自身產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，爭(zhēng)取更多市場(chǎng)，也成為了各大供應(yīng)商需要考慮的重點(diǎn)問題。

MEMS麥克風(fēng)這些年來的平均價(jià)格走勢(shì)（source:Yole）

在技術(shù)方面，隨著智能音箱這類設(shè)備的興起，在嘈雜環(huán)境下使用MEMS麥克風(fēng)的情況會(huì)成為主流，對(duì)于麥克風(fēng)來說，如何進(jìn)一步提高SNR和抗射頻干擾特性，提高自己在封裝設(shè)計(jì)方面的實(shí)力，就是硅麥供應(yīng)商需要考慮的重中之重。

一切也許正在進(jìn)行，讓我們看他們能給出什么樣的答案。