0 引言

2020年，美國(guó)加強(qiáng)對(duì)華為實(shí)體清單管控，限制其使用美國(guó)技術(shù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)產(chǎn)品。嚴(yán)峻的外部環(huán)境逼迫華為轉(zhuǎn)型并扶植國(guó)內(nèi)供應(yīng)商，同時(shí)加快我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程。MEMS作為半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要分支，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互接口的賦能者，包括微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical systems，MEMS）麥克風(fēng)、MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀、MEMS壓力傳感器等。其中，MEMS麥克風(fēng)的市場(chǎng)規(guī)模與日俱增，并與人工智能緊密結(jié)合，成為各種智能硬件的關(guān)鍵“入口”。因此，有必要分析全球MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)及中國(guó)廠商的市場(chǎng)地位，從而有助于研判該領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)替代水平。

本文通過(guò)初步研究（primary research）和次要研究（secondary research）相結(jié)合的方式，針對(duì)全球MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行定量和定性分析，并通過(guò)第三方專家驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性。本文首先介紹MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用的三波浪潮，回顧MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)過(guò)去10年的變化；然后分析全球MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，指出中國(guó)MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)的崛起情況；接著研究MEMS麥克風(fēng)發(fā)展趨勢(shì)，從性能和可靠性需求出發(fā)分析典型廠商在MEMS麥克風(fēng)工作原理、敏感材料、芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試方面的進(jìn)展情況；最后通過(guò)對(duì)樓氏電子的智能麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)化情況剖析，體現(xiàn)軟硬結(jié)合的重要性，表明低功耗、高精度的語(yǔ)音喚醒和關(guān)鍵字識(shí)別功能是當(dāng)前市場(chǎng)需求的熱點(diǎn)。

1 MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用浪潮

麥克風(fēng)是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。在聲音的記錄、編輯、傳輸過(guò)程中，拾音是整個(gè)音頻制作中的第一道環(huán)節(jié)，聲音質(zhì)量的優(yōu)劣首先取決于拾音質(zhì)量，而拾音的質(zhì)量和效率主要取決于麥克風(fēng)。因此，麥克風(fēng)的技術(shù)發(fā)展對(duì)音頻質(zhì)量的提升起主要作用。目前，基于電容檢測(cè)原理的麥克風(fēng)是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，包括駐極體麥克風(fēng)（electret capacitance microphone，ECM）和MEMS麥克風(fēng)兩大類。其中，MEMS麥克風(fēng)（或稱硅麥克風(fēng)、硅麥）是一種通過(guò)MEMS制造工藝將麥克風(fēng)小型化，并且采用專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波等處理的傳感器。與駐極體麥克風(fēng)相比，MEMS麥克風(fēng)擁有體積小、耐熱性好、一致性好、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗射頻干擾等優(yōu)勢(shì)，還可以輸出數(shù)字信號(hào)并有利于智能化發(fā)展。由于耐熱性好，MEMS麥克風(fēng)不用像大多數(shù)駐極體麥克風(fēng)需要手工焊接，完全可以采用全自動(dòng)表面貼裝（surface mounted technology，SMT）生產(chǎn)工藝。這不僅能簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)成本，而且能提供更高的設(shè)計(jì)自由度和系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。因此，MEMS麥克風(fēng)逐漸取代駐極體麥克風(fēng)，成為眾多音頻設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置。

近10年，MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)保持較快的增長(zhǎng)勢(shì)頭。根據(jù)麥姆斯咨詢統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)規(guī)模從2010年的15.9億元人民幣增長(zhǎng)到2019年的86.8億元人民幣，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)20.75%，如圖1所示?；仡欉^(guò)往，2003年樓氏電子有限公司（Knowles Electronics，簡(jiǎn)稱“樓氏電子”）率先將MEMS麥克風(fēng)出貨給日本手機(jī)制造商京瓷株式會(huì)社（Kyocera），開創(chuàng)MEMS麥克風(fēng)進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)的先河。同年，摩托羅拉（Motorola）在其超薄手機(jī)RAZR中使用樓氏電子的MEMS麥克風(fēng)，創(chuàng)下驚人的銷售紀(jì)錄，為MEMS麥克風(fēng)奠定良好的市場(chǎng)基礎(chǔ)。隨后，以蘋果公司（Apple，簡(jiǎn)稱“蘋果”）、華為技術(shù)有限公司（Huawei，簡(jiǎn)稱“華為”）、三星集團(tuán)（Samsung，簡(jiǎn)稱“三星”）為代表的智能手機(jī)品牌廠商的廣泛采用，掀起了MEMS麥克風(fēng)的第一波應(yīng)用浪潮，全球龐大的智能手機(jī)出貨量促進(jìn)MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)和技術(shù)的快速發(fā)展。MEMS麥克風(fēng)不僅成為智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，一些高端智能手機(jī)甚至使用3~4顆MEMS麥克風(fēng)：1顆用于語(yǔ)音采集，1顆或兩顆用于噪聲消除，1顆用于改善語(yǔ)音識(shí)別。如今，基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的虛擬個(gè)人助理（virtual personal assistant，VPA）成為音頻行業(yè)（包括音頻IC、MEMS麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器）的主要驅(qū)動(dòng)力，全球各大科技公司都參與競(jìng)爭(zhēng)，例如蘋果公司的Siri、亞馬遜公司（Amazon）的Alexa、谷歌公司（Google）的Google Assistant、微軟公司（Microsoft）的Cortana。這項(xiàng)新興應(yīng)用的一個(gè)有趣特性是可以在各種智能系統(tǒng)中“植入”與“融合”，除了智能手機(jī)之外，還包括平板電腦、筆記本電腦、智能音箱、智能手表、真無(wú)線立體聲（true wireless stereo，TWS）耳機(jī)、智能汽車、智能電視和遙控器等，甚至出現(xiàn)了帶有語(yǔ)音識(shí)別功能的智能垃圾桶。

圖1 2010~2019年全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)規(guī)模（來(lái)源：麥姆斯咨詢）

2014年11月，亞馬遜公司推出全新概念的Echo系列智能音箱，正式引爆智慧語(yǔ)音市場(chǎng)，谷歌公司、北京京東世紀(jì)貿(mào)易有限公司（JD，簡(jiǎn)稱“京東”）、百度（Baidu）及阿里巴巴（中國(guó)）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司（Alibaba，簡(jiǎn)稱“阿里巴巴”）都相繼發(fā)布以自家語(yǔ)音助理為核心的智能音箱，蘋果也發(fā)布以語(yǔ)音助理Siri為核心的智能音箱HomePod系列產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和價(jià)格定位，一臺(tái)智能音箱的MEMS麥克風(fēng)搭載量可達(dá)2~8顆，以形成麥克風(fēng)陣列。因此，智能音箱促使MEMS麥克風(fēng)的需求增長(zhǎng)，掀起了MEMS麥克風(fēng)的第二波應(yīng)用浪潮。2016年9月，隨著蘋果AirPods第一代產(chǎn)品發(fā)布，TWS耳機(jī)市場(chǎng)火熱起來(lái)。后續(xù)發(fā)布的AirPods 2語(yǔ)音喚醒功能和AirPods Pro主動(dòng)降噪（active noise cancellation，ANC）功能廣受關(guān)注，并對(duì)MEMS麥克風(fēng)的“一致性、信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)（acoustic overload point，AOP）、低頻和高頻響應(yīng)”提出了更高的要求，將每只TWS耳機(jī)的MEMS麥克風(fēng)搭載數(shù)量提升至2~3顆（1副TWS耳機(jī)的MEMS麥克風(fēng)數(shù)量則達(dá)4~6顆）。所以，繼智能手機(jī)、智能音箱之后，TWS耳機(jī)掀起了MEMS麥克風(fēng)的第三波應(yīng)用浪潮，預(yù)計(jì)未來(lái)5年TWS耳機(jī)中的MEMS麥克風(fēng)出貨量的復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)30%。

2 MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括“設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試”4個(gè)重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)和制造難度較大，往往體現(xiàn)MEMS廠商的核心競(jìng)爭(zhēng)力，而封裝和測(cè)試難度較小，易于掌握。所以，很多中國(guó)廠商競(jìng)逐MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)，首先從封裝和測(cè)試做起，然后再逐步掌握核心芯片技術(shù)，例如歌爾股份有限公司（Goertek，簡(jiǎn)稱“歌爾股份”）和瑞聲聲學(xué)科技控股有限公司（AAC，簡(jiǎn)稱“瑞聲科技”）；極少數(shù)中國(guó)廠商一開始就基于本土產(chǎn)業(yè)鏈自主研發(fā)核心芯片，蘇州敏芯微電子股份有限公司（MEMSensing，簡(jiǎn)稱“敏芯股份”）則是這方面的典型代表，經(jīng)過(guò)10余年的研發(fā)投入，完成了MEMS和ASIC芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝和測(cè)試環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)研發(fā)工作和核心技術(shù)積累，并幫助國(guó)內(nèi)MEMS制造和封裝廠商開發(fā)了專業(yè)的MEMS晶圓制造與封裝工藝，實(shí)現(xiàn)了全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化。目前，全球MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)以“Fabless（無(wú)晶圓廠）設(shè)計(jì)公司+Foundry（晶圓制造代工廠）”模式為主，由于消費(fèi)電子應(yīng)用量大面廣，因此主流MEMS麥克風(fēng)廠商采用8英寸MEMS代工線。具體分析上述4個(gè)重要環(huán)節(jié)的典型廠商情況為：在設(shè)計(jì)方面，國(guó)際領(lǐng)先廠商是樓氏電子（Knowles）、英飛凌科技公司（Infineon，簡(jiǎn)稱“英飛凌”）、意法半導(dǎo)體集團(tuán)（STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱“意法半導(dǎo)體”），國(guó)內(nèi)廠商有歌爾股份、瑞聲科技、蘇州敏芯微電子技術(shù)股份有限公司（MEMSening，簡(jiǎn)稱“敏芯股份”）等；在制造方面，MEMS芯片制造是難點(diǎn)，國(guó)際領(lǐng)先廠商是索尼（Sony）、英飛凌科技公司、意法半導(dǎo)體集團(tuán)，國(guó)內(nèi)廠商有中芯集成電路制造（紹興）有限公司（SMEC）、華潤(rùn)上華科技有限公司（CSMC）等，但總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)具有量產(chǎn)能力的MEMS制造廠商仍然較少，生產(chǎn)設(shè)備與制造工藝也與國(guó)外存在較大的差距；在封裝和測(cè)試方面，MEMS麥克風(fēng)廠商既有通過(guò)自有工廠的生產(chǎn)線完成，又有采用委外代工方式，國(guó)際領(lǐng)先外包封測(cè)廠商主要是日月光集團(tuán)（ASE）、安靠科技公司（Amkor Technology），國(guó)內(nèi)外包封測(cè)廠商有華天科技有限公司（TSHT，簡(jiǎn)稱“華天科技”）、蘇州固锝電子股份有限公司（Goodark，簡(jiǎn)稱“蘇州固锝”）等。

2010年，樓氏電子在全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)中處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，市場(chǎng)份額超過(guò)80%，而中國(guó)廠商以購(gòu)買英飛凌裸芯片（包括MEMS和ASIC）進(jìn)行封裝和測(cè)試的方式進(jìn)入MEMS麥克風(fēng)領(lǐng)域。隨著近些年中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商的長(zhǎng)足進(jìn)步，2019年，樓氏電子的市場(chǎng)份額下滑至36%，以歌爾股份、瑞聲科技、敏芯股份、共達(dá)電聲股份有限公司（Gettop，簡(jiǎn)稱“共達(dá)電聲”）為代表的中國(guó)廠商也成為全球MEMS麥克風(fēng)的主要參與者，進(jìn)入了蘋果、華為等主流智能手機(jī)品牌廠商供應(yīng)鏈，合計(jì)市場(chǎng)份額達(dá)到48%，幾乎占據(jù)全球市場(chǎng)的半壁江山。并且，由于中美貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈，海外供應(yīng)體系受到種種限制，以智能手機(jī)為代表的智能終端廠商更加重視國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，更加愿意使用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)元器件；加之，隨著上海證券交易所科創(chuàng)板于2019年6月13日正式開板，有效地解決了科技創(chuàng)新企業(yè)融資難的問(wèn)題（例如敏芯股份于2020年8月10日登陸科創(chuàng)板），因此，中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商的發(fā)展速度繼續(xù)提升，有望進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)份額，如圖2所示。

圖2 2019年全球領(lǐng)先的MEMS麥克風(fēng)廠商市場(chǎng)份額（按照營(yíng)收統(tǒng)計(jì)）

樓氏電子、歌爾股份和瑞聲科技主要在高端市場(chǎng)展開競(jìng)爭(zhēng)，擁有較高的利潤(rùn)率 ，典型客戶如蘋果、華為、三星等；而敏芯股份和共達(dá)電聲主要在中低端市場(chǎng)中激烈拼殺，處于薄利多銷的“紅?！?。雖然樓氏電子依然領(lǐng)先，但是面對(duì)中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商的緊追不舍，顯得力不從心。值得一提的是，歌爾股份和瑞聲科技不僅僅購(gòu)買英飛凌的裸芯片，而且自研芯片（包括本土團(tuán)隊(duì)技術(shù)和收購(gòu)國(guó)外技術(shù)，例如瑞聲科技曾經(jīng)收購(gòu)了MEMSTech公司和歐姆龍MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品線）也已進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段，技術(shù)實(shí)力大幅提升。近些年，由于智能音箱、智能手表、TWS耳機(jī)等新興市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，吸引了眾多中國(guó)廠商加入MEMS麥克風(fēng)“戰(zhàn)局”，既包括創(chuàng)業(yè)型MEMS廠商，如華景傳感科技（無(wú)錫）有限公司（SV Senstech，簡(jiǎn)稱“華景傳感”）、蘇州明皜傳感科技有限公司（MiraMEMS，簡(jiǎn)稱“明皜傳感”）、深迪半導(dǎo)體（上海）有限公司（Senodia，簡(jiǎn)稱“深迪半導(dǎo)體”）、通用微科技有限公司（GMEMS，簡(jiǎn)稱“通用微”），也包括傳統(tǒng)型集成電路廠商，如杭州士蘭微電子股份有限公司（Silan，簡(jiǎn)稱“士蘭微”）、上海韋爾半導(dǎo)體股份有限公司（WillSemi，簡(jiǎn)稱“韋爾股份”），還有立訊精密投資中國(guó)臺(tái)灣MEMS麥克風(fēng)廠商美律電子深圳有限公司（Merry，簡(jiǎn)稱“美律”）。此外，英飛凌也更新了其商業(yè)策略，除了提供MEMS和ASIC裸芯片，還開始著手自己生產(chǎn)并銷售MEMS麥克風(fēng)封裝成品。

3 MEMS麥克風(fēng)發(fā)展趨勢(shì)

隨著消費(fèi)類音頻電子設(shè)備對(duì)用戶體驗(yàn)的孜孜追求、對(duì)各種功能的推陳出新，同時(shí)也得益于蘋果AirPods等爆款產(chǎn)品的潮流引領(lǐng)，業(yè)界對(duì)MEMS麥克風(fēng)的性能要求不斷提高。例如，指向性降噪及遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音識(shí)別功能需要一致性好（靈敏度、相位、頻率響應(yīng)）、信噪比高（68dB以上）的MEMS麥克風(fēng)；主動(dòng)降噪功能對(duì)于在大聲壓、低失真場(chǎng)景下的應(yīng)用也提出了要求，為此MEMS麥克風(fēng)需具有更高的聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)（130dB以上）和更好的低頻響應(yīng)（15~20Hz保持平坦），以避免輸出信號(hào)的失真，從而保證降噪系統(tǒng)正常工作；此外，可穿戴設(shè)備還對(duì)MEMS麥克風(fēng)的功耗具有強(qiáng)烈的減小需求，因?yàn)榈凸目梢匝娱L(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間，有利于設(shè)備實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音喚醒功能——“Always On, Always Listening”（“始終打開，時(shí)刻聆聽”），為此多家MEMS麥克風(fēng)廠商推出具有多種模式（工作模式/超低功耗模式/休眠模式）的產(chǎn)品。而在一些面向汽車類音頻應(yīng)用領(lǐng)域（如用戶與智能汽車的語(yǔ)音交互），則對(duì)MEMS麥克風(fēng)的工作溫度范圍提出了更高的要求：?40~125℃（通常消費(fèi)類產(chǎn)品的工作溫度為?40~85℃）。上述各種MEMS麥克風(fēng)性能要求對(duì)MEMS及ASIC芯片的設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試都提出了新挑戰(zhàn)，需要采用一些新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料（如壓電材料）來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足新應(yīng)用需求的新器件。

目前，基于電容檢測(cè)原理的硅基MEMS麥克風(fēng)在消費(fèi)電子市場(chǎng)中仍占據(jù)最重要的地位，但是麥克風(fēng)的檢測(cè)原理也在變革之中。近些年，先進(jìn)的聲學(xué)傳感技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商Vesper與全球領(lǐng)先的晶圓代工廠格羅方德半導(dǎo)體股份有限公司（Globalfoundries）合作推出了多款商業(yè)化的壓電式MEMS麥克風(fēng)。這種基于壓電檢測(cè)原理的MEMS麥克風(fēng)采用氮化鋁（AlN）薄膜材料，具備防水、防塵、抗顆粒物等特點(diǎn)，保證在任何環(huán)境下都具備出色的聲學(xué)性能。由于具備上述特性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用Vesper壓電式MEMS麥克風(fēng)構(gòu)建性能穩(wěn)定的聲學(xué)陣列，不用考慮MEMS麥克風(fēng)是否容易遭受損壞。因此，Vesper產(chǎn)品吸引了大量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求極高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)商。此外，由于壓電MEMS麥克風(fēng)不需要偏置電壓，因此具有超快的啟動(dòng)時(shí)間（例如Vesper的VM3000麥克風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間低于200μs）。這種超快速啟動(dòng)時(shí)間，使系統(tǒng)能夠快速喚醒以捕捉完整的關(guān)鍵字，當(dāng)與Vesper的零功耗監(jiān)聽（ZeroPower Listening）技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，可大幅提升關(guān)鍵字的捕捉精度。除了Vesper采用的AlN材料，鋯鈦酸鉛（PZT）材料也被應(yīng)用于壓電式MEMS麥克風(fēng)，例如智動(dòng)全球股份有限公司（GlobalMEMS）推出壓電MEMS技術(shù)平臺(tái)，通過(guò)創(chuàng)新的PZT材料應(yīng)用，以8英寸晶圓制造線量產(chǎn)壓電式MEMS麥克風(fēng)。雖然壓電式MEMS麥克風(fēng)已有上述商業(yè)化產(chǎn)品，但是還有一些亟待解決的問(wèn)題：壓電MEMS制造工藝的良率仍需提升；壓電MEMS制造工藝（如PZT材料）與CMOS制造工藝的兼容性；與電容式MEMS麥克風(fēng)同等靈敏度情況下，其芯片尺寸較大、成本較高；靈敏度低和低頻響應(yīng)不理想。

電容式MEMS麥克風(fēng)中的核心傳感結(jié)構(gòu)由可動(dòng)的振膜和固定的背板組成，外界聲音產(chǎn)生的壓力致使振膜形變，從而改變振膜與背板之間的電容值，那么電容所儲(chǔ)存的電荷量也發(fā)生變化，在負(fù)載電阻的兩端就會(huì)獲得一個(gè)隨聲壓變化的交流電壓，即完成“聲—電”轉(zhuǎn)換過(guò)程。從上述傳感過(guò)程可以看出，振膜和背板是電容式MEMS麥克風(fēng)的重要部件，極大地影響著產(chǎn)品性能和可靠性。性能方面的典型實(shí)例：為了滿足各種新興應(yīng)用的音頻性能需求，英飛凌MEMS麥克風(fēng)的MEMS芯片設(shè)計(jì)不斷演進(jìn)，從2010年的“單背板（single backplate）”到2014年的“雙背板（dual backplate）”，再到2020年的“密封雙膜（sealed dual membrane）”，聲學(xué)性能一路提升。最新的密封雙膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用兩層振膜實(shí)現(xiàn)差分輸出，并且電容區(qū)域的密封可實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)噪聲的音頻信號(hào)捕獲，使得信噪比升至75dB，聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)達(dá)到140dB，同時(shí)還具有防水和防塵功能，非常適合高品質(zhì)錄音、主動(dòng)降噪、音頻變焦等應(yīng)用，如圖3所示?？煽啃苑矫娴牡湫蛯?shí)例：目前市場(chǎng)上的MEMS麥克風(fēng)振膜大多采用周邊完全固定的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致當(dāng)MEMS麥克風(fēng)突然遭受到較大的氣壓、氣流或高加速度沖擊時(shí)，因無(wú)法及時(shí)泄壓而導(dǎo)致振膜變形嚴(yán)重，當(dāng)振膜變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí)，就會(huì)引起振膜破裂，從而使MEMS麥克風(fēng)失效。為了應(yīng)對(duì)極端聲場(chǎng)環(huán)境，提升MEMS麥克風(fēng)可靠性，瑞聲科技開創(chuàng)性地在振膜四周設(shè)計(jì)了可活動(dòng)的狹縫結(jié)構(gòu)，可將沖擊振膜正面的氣流通過(guò)狹縫迅速導(dǎo)流到振膜背面，從而提高振膜前后腔氣壓的平衡速度，提升振膜抗瞬時(shí)壓力沖擊的能力，降低MEMS麥克風(fēng)的破膜率。

圖3 英飛凌電容式MEMS麥克風(fēng)的MEMS芯片設(shè)計(jì)演進(jìn)之路

由于消費(fèi)電子市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)激烈，減小芯片及封裝成品尺寸以降低麥克風(fēng)成本仍然是領(lǐng)先廠商的努力方向之一。在MEMS芯片方面，市場(chǎng)上已經(jīng)能見(jiàn)到面積為0.7mm × 0.7mm的商業(yè)化MEMS芯片，預(yù)計(jì)面積更小的MEMS芯片將很快面市，雖然性能水平一般，但是可以滿足眾多對(duì)成本極度敏感的消費(fèi)電子應(yīng)用。由于MEMS芯片的厚度過(guò)薄會(huì)使得制造過(guò)程中產(chǎn)生較高的碎片率，且對(duì)產(chǎn)品可靠性有一些不利影響，因此未來(lái)不會(huì)追求對(duì)MEMS芯片的減薄。在ASIC芯片方面，模擬輸出MEMS麥克風(fēng)的ASIC芯片尺寸已經(jīng)接近極限，未來(lái)繼續(xù)縮小的空間不多；數(shù)字輸出MEMS麥克風(fēng)的ASIC芯片則可以通過(guò)采用更先進(jìn)的制造工藝來(lái)減小尺寸。在MEMS麥克風(fēng)封裝成品方面，由于可穿戴設(shè)備的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)，封裝尺寸越來(lái)越小，但是太小的封裝尺寸將帶來(lái)性能及可靠性的下降，所以2.7mm × 1.8mm是目前以及未來(lái)一段時(shí)間的主流尺寸。不過(guò)，一些特殊的音頻終端產(chǎn)品還會(huì)有內(nèi)部空間局限的問(wèn)題，從而促使更小MEMS麥克風(fēng)封裝尺寸的出現(xiàn)。此外，筆記本電腦的屏幕無(wú)邊框趨勢(shì)提出了對(duì)更窄的MEMS麥克風(fēng)封裝成品的需求，當(dāng)然也可以采用側(cè)面進(jìn)音的MEMS麥克風(fēng)來(lái)滿足這一需求。

MEMS麥克風(fēng)封裝結(jié)構(gòu)包括一個(gè)安裝有MEMS和ASIC芯片的印刷電路板（printed circuit board，PCB）基板和一個(gè)保護(hù)殼體（主要有金屬和塑料兩種殼體材料）。印刷電路板基板或保護(hù)殼體上設(shè)置有聲孔，從而形成底部進(jìn)音或頂部進(jìn)音兩種主流方案。因?yàn)榉庋b結(jié)構(gòu)影響聲學(xué)性能，通常底部進(jìn)音方案比頂部進(jìn)音方案的信噪比和靈敏度要高一些，所以更受高端降噪TWS耳機(jī)的青睞。隨著MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，應(yīng)用領(lǐng)域日新月異，各種應(yīng)用環(huán)境對(duì)MEMS麥克風(fēng)封裝有著不同的要求，例如越來(lái)越多的可穿戴設(shè)備需要防水和防塵——這也成為MEMS麥克風(fēng)廠商推出新產(chǎn)品的亮點(diǎn)。主流的電容式MEMS麥克風(fēng)常在封裝時(shí)采用超薄防護(hù)性網(wǎng)布和防水透氣膜覆蓋MEMS麥克風(fēng)與外界環(huán)境相連接的進(jìn)音口，以實(shí)現(xiàn)防水和防塵功能。另外，在智能手機(jī)、平板電腦和其他設(shè)備印刷電路板的大批量組裝過(guò)程中，存在一些可能損壞MEMS麥克風(fēng)的失效問(wèn)題，例如回流焊過(guò)程中由極端高溫引起的壓力升高、顆粒物和助焊劑蒸汽污染等。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致MEMS麥克風(fēng)的聲學(xué)性能下降，并顯著影響良率，提高制造成本。為此，全球材料科學(xué)公司戈?duì)枺℅ore）開發(fā)了GORE MEMS防水透氣材料（膨體聚四氟乙烯），其200型產(chǎn)品可在封裝過(guò)程中安裝到MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部，以提供可靠的保護(hù)——有效防止壓力集聚和顆粒物污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)組裝流程中的聲學(xué)性能測(cè)試，無(wú)縫匹配高速生產(chǎn)線。最后，由于MEMS產(chǎn)業(yè)正向多傳感器集成方向前進(jìn)，因此，單顆MEMS傳感器封裝成品中的MEMS芯片及其他元器件會(huì)不斷增多，例如歌爾股份推出了“MEMS麥克風(fēng)+壓力傳感器”二合一封裝成品。

MEMS麥克風(fēng)測(cè)試流程及設(shè)備早期由各家MEMS麥克風(fēng)廠商自行開發(fā)設(shè)計(jì)，而現(xiàn)在已有成熟的在售MEMS麥克風(fēng)測(cè)試設(shè)備，這為初創(chuàng)公司快速進(jìn)入市場(chǎng)提供了便利的測(cè)試條件。由于新興應(yīng)用對(duì)音頻質(zhì)量的要求越來(lái)越高，因此MEMS麥克風(fēng)測(cè)試設(shè)備需要不斷增加測(cè)試項(xiàng)目，包括靈敏度、頻率響應(yīng)、相位、指向特性、失真度、本底噪聲和信噪比、最大聲壓級(jí)、脈沖響應(yīng)等，多方位滿足性能測(cè)試需求，同時(shí)也需要提高并行測(cè)試能力和自動(dòng)化程度，以提升MEMS麥克風(fēng)的生產(chǎn)效率。此外，在以智能音箱為代表的麥克風(fēng)陣列應(yīng)用產(chǎn)品中，應(yīng)該加強(qiáng)測(cè)試與分析“貼裝了MEMS麥克風(fēng)和其他芯片的印刷電路板（printed circuit board assembly，PCBA）”，避免回流焊對(duì)聲學(xué)性能的影響，并且在最終完成整機(jī)裝配之后，還需要弄清所有MEMS麥克風(fēng)之間的相對(duì)性能（其中一個(gè)典型的性能參數(shù)是“靈敏度跨度”，也就是陣列中MEMS麥克風(fēng)的最大靈敏度和最小靈敏度的差值），評(píng)價(jià)麥克風(fēng)陣列在整機(jī)中的性能表現(xiàn)，將不良產(chǎn)品攔截在組裝工廠內(nèi)。

4 智能麥克風(fēng)產(chǎn)業(yè)化情況

當(dāng)今世界，以信息技術(shù)為代表的新一輪科技革命方興未艾，全球信息技術(shù)發(fā)展正處于跨界融合、加速創(chuàng)新、深度調(diào)整的歷史時(shí)期，呈現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的新特征?；贛EMS技術(shù)的傳感器也正朝著智能化方向發(fā)展，形成功能豐富的智能傳感器，如智能麥克風(fēng)、智能氣體傳感器、智能慣性傳感器、智能光電傳感器等，大幅提升MEMS傳感器的產(chǎn)品價(jià)值。算法與軟件是智能傳感器的靈魂與思想，也是MEMS傳感器表現(xiàn)出智能行為的內(nèi)在方法和支撐。以智能麥克風(fēng)為例，樓氏電子在語(yǔ)音技術(shù)發(fā)展過(guò)程中采用了“軟硬整合，虛實(shí)并進(jìn)”的思路，不僅在硬件方面長(zhǎng)期保持MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)的龍頭地位，還在算法與軟件方面積極布局，例如在2015年收購(gòu)了語(yǔ)音解決方案供應(yīng)商Audience，增強(qiáng)了其在智能語(yǔ)音和信號(hào)處理解決方案領(lǐng)域的實(shí)力——Audience基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音識(shí)別算法助力樓氏電子開發(fā)出支持各種語(yǔ)言的語(yǔ)音喚醒技術(shù)：Voice ID，所以樓氏電子能夠以軟硬結(jié)合的完整方案實(shí)現(xiàn)高性能的語(yǔ)音處理與識(shí)別，為智能麥克風(fēng)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

受益于系統(tǒng)級(jí)封裝（system in package，SiP）及3D堆疊技術(shù)的發(fā)展，更多芯片可被集成于一顆小型封裝殼體內(nèi)，從而使得智能傳感器可具備更多功能和特點(diǎn)。目前，樓氏電子已經(jīng)發(fā)布了兩代智能麥克風(fēng)：第一代是基于ASIC的智能麥克風(fēng)，如IA200、IA201、IA210等，集成了聲學(xué)活動(dòng)檢測(cè)器（acoustic activity detector），實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的“語(yǔ)音指令”實(shí)時(shí)監(jiān)聽模式，并有效降低了系統(tǒng)功耗，但是對(duì)語(yǔ)音處理較為簡(jiǎn)單，主要通過(guò)濾波算法獲得語(yǔ)音觸發(fā)信號(hào)以判斷是否超過(guò)檢測(cè)閾值，因而造成誤觸率較高，而對(duì)算法要求很高的先進(jìn)語(yǔ)音識(shí)別功能則需要借助外部的數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor，DSP）實(shí)現(xiàn)；第二代是基于DSP的AISonic智能麥克風(fēng)，如IA61x系列產(chǎn)品，將樓氏電子的高性能聲學(xué)SiSonic MEMS麥克風(fēng)芯片和Tensilica公司的音頻優(yōu)化DSP芯片封裝于一體，通過(guò)定制的內(nèi)核設(shè)計(jì)和優(yōu)化的指令集，進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度的語(yǔ)音喚醒和關(guān)鍵字識(shí)別功能。

AISonic智能麥克風(fēng)IA61x系列中的第一款產(chǎn)品“IA610”由樓氏電子于2017年推出，適合“始終打開，時(shí)刻聆聽”的移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用。由于IA610提供了一個(gè)開放式的DSP平臺(tái)，因此系統(tǒng)集成商和第三方軟件開發(fā)商能夠開發(fā)出定制化的先進(jìn)語(yǔ)音功能，或者利用樓氏電子提供的算法與軟件實(shí)現(xiàn)低功耗語(yǔ)音喚醒和語(yǔ)音控制、聲學(xué)事件探測(cè)（例如玻璃破碎或嬰兒啼哭）等功能。IA610還是首款采用MIPI SoundWire接口的嵌入式音頻器件，選擇這一接口的好處在于：簡(jiǎn)化集成設(shè)計(jì)過(guò)程，降低成本和功耗，減少引腳數(shù)目。樓氏電子的智能麥克風(fēng)解決方案以其完整的硬件、軟件、固件、代碼和工具包加速了音頻電子產(chǎn)品的上市時(shí)間。在應(yīng)用案例方面，IA610獲得vivo NEX智能手機(jī)青睞，在“Jovi AI”人工智能助手中扮演著關(guān)鍵角色，可使智能手機(jī)更準(zhǔn)確地識(shí)別主人的喚醒指令；IA610也在OPPO Find X智能手機(jī)中展示魅力，實(shí)現(xiàn)了一些獨(dú)特的新功能，例如“語(yǔ)音打斷”——用戶可以在音樂(lè)或視頻播放時(shí)用預(yù)設(shè)的關(guān)鍵詞打斷播放，并執(zhí)行其他功能，如圖4所示。

圖4 AISonic智能麥克風(fēng)IA61x系列產(chǎn)品的功能示意圖

5 結(jié)論

以敏芯股份為代表的中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商，從公司創(chuàng)立之初就制定了自主研發(fā)核心芯片的發(fā)展規(guī)劃。經(jīng)過(guò)十余年的不懈努力，中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商基于本土產(chǎn)業(yè)鏈完成了MEMS和ASIC芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝和測(cè)試環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)研發(fā)工作和核心技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)了MEMS麥克風(fēng)全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化。在全球激烈的競(jìng)爭(zhēng)格局之中，中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商奮力崛起，合計(jì)市場(chǎng)份額已經(jīng)遠(yuǎn)超龍頭企業(yè)樓氏電子。但是，在高性能和智能化產(chǎn)品方面，中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商仍處于劣勢(shì)，以跟隨英飛凌和樓氏電子的技術(shù)路線為主。由此可見(jiàn)，在MEMS麥克風(fēng)領(lǐng)域，中低端產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)替代水平較高，而高端產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)替代水平仍較低。展望未來(lái)，中國(guó)MEMS麥克風(fēng)廠商應(yīng)結(jié)合人工智能技術(shù)，利用“聽得懂”的MEMS麥克風(fēng)展現(xiàn)新的價(jià)值，把握智能麥克風(fēng)的市場(chǎng)機(jī)遇！

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