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关于MEMS麦克风的功能分析介绍

来源:欧宝官方手机网页    发布时间:2024-01-20 03:48:23

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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优选择的“

  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。但是怎么来控制这些设备,成为开发者和消费的人关注的话题。在经历了不同设备不一样遥控器、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慢慢的变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很突出。

  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,加上另外的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。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。。

  根据调查研究机构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,这就要求我们一定要了解什么是MEMS。

  所谓MEMS (Micro ElectroMechanical System,微机电系统),是利用半导体制程技术,整合电子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,在不一样的温度下,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,能承受摄氏260度的高温回流焊,但是其性能不会有任何变化。再加上MEMS麦克风可以轻松又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麦克风这一个市场,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的多个方面数据显示,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占有率分别约为18%和14%。紧随其后的是ST,其在2015年MEMS麦克风供应中约占10%。下面我们的角度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非常庞大、声音降噪能力差的缺点。为了逐步提升体验,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,逐渐受到了移动电子设备的欢迎。

  接下来,伴随着智能移动电子设备的爆发,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制和制造的企业。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。不过能确定的是,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麦克风他们市场占有率不高,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,这就要使用到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,其他的还有XFab、ST、博世和TSMC等,但英飞凌和索尼占领了约80%的市场。

  如果一直按照这样的形式发展,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设计非常大的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)时失线 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,怎么样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仔细考虑的重点问题。

  在技术方面,随只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,如何进一步提升SNR和抗射频干扰特性,提升个人在封装设计方面的实力,就是硅麦供应商需要仔细考虑的重中之重。

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