关于MEMS麦克风的功能分析介绍

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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。

6 O7 ]& ]  P0 b6 \( ^智能音箱将MEMS麦克风推向新的高潮
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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。

, ]8 i. p6 L/ v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。
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Iron Man“吩咐”人工智能机器人Jarvis工作。（sorce：internet）

9 ~1 p4 i  F3 b' }6 p+ C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。

7 v  J! z: X9 W* t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。
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! A# q* \. S: [2 k' m1 Q0 F1 hAmazon Echo的拆解（绿色圈起来的就是MEMS麦克风S1053 0090 V6，source：ifixit）

5 d3 ?7 i. i! c2 H5 |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。。

+ B1 P$ i, P# K  v  Z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。
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MEMS麦克风的未来几年的市场走势（source：Yole）
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6 G/ ]' \" l$ N& ]! t四大厂商垄断MEMS麦克风市场，中国居其二

0 p# D* x" o3 m" o9 {$ W+ e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。

: W! o/ d/ W/ D. _" q) U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。
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4 Z  _' Z6 J+ S% h" GMEMS麦克风就是由MEMS芯片和一个ASIC芯片组成。

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。
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) H7 ^0 A- k# {" l8 }# M  SMEMS 麦克风的构造图
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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。

+ |% H0 w& Z( I( r9 i0 I1 h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。


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2015年MEMS麦克风供应商营收前十厂商（source：IHS）

3 i( ], R; x& s0 y* l0 j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。
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; K+ G6 k" x& u' r! r$ Z+ U: ~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。

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3 a2 V5 z# D5 q, m9 O) o* K4 G+ a楼氏电子的SiSonic MEMS麦克风（source：楼氏电子）
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% u" I& ?# n/ ]1 a$ p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。
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, S: k( j$ ~: E9 Z* g" v$ a: T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。
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& b6 l0 g* b. j: p歌尔声学MEMS麦克风（source：歌尔声学）

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。
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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。

' v) Q9 \) _( _3 {: J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。

3 k! a- e7 T3 q' I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。
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大挑战近在眼前

虽然MEMS麦克风给企业带来了不错的收益，但也会给他们带来挑战。
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# Z" n; L9 ~" j: q! J2 `6 T) Y" V首先我们从供应链上看一下。
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# i3 ], G  @. L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。
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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。



; m1 e6 N2 o+ A$ w2016 MEMS麦克风的 MEMS Die市场份额（source: Yole）

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。

5 ?5 Q9 j  Y7 e- C7 m' |  O7 n# N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。

0 Y7 z9 ^$ _$ r  |: u- l9 }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。
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6 [- L! B; X% t9 A' A& B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。



6 x" W, o! Z' }8 n# h1 zMEMS麦克风这些年来的平均价格走势（source:Yole）

. D" J* T) b3 D" y/ i! i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。
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一切也许正在进行，让我们看他们能给出什么样的答案。