2020年，美國加強對華為實體清單管控，限制其使用美國技術設計和生產產品。嚴峻的外部環境逼迫華為轉型并扶植國內供應商，同時加快我國半導體產業鏈的國產替代進程。
MEMS作為半導體領域的重要分支，是實現人機交互接口的賦能者，包括微機電系統（micro-electro-mechanical systems，MEMS）麥克風、MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、MEMS壓力傳感器等。其中，MEMS麥克風的市場規模與日俱增，并與人工智能緊密結合，成為各種智能硬件的關鍵“入口”。
因此，有必要分析全球MEMS麥克風產業及中國廠商的市場地位，從而有助于研判該領域的國產替代水平。
1、MEMS麥克風產業現狀
麥克風是將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器件。
MEMS麥克風產業鏈主要包括“設計、制造、封裝、測試”4個重要環節，設計和制造難度較大，往往體現MEMS廠商的核心競爭力，而封裝和測試難度較小，易于掌握。
所以，很多中國廠商競逐MEMS麥克風市場，首先從封裝和測試做起，然后再逐步掌握核心芯片技術。
例如歌爾股份有限公司（Goertek，簡稱“歌爾股份”）和瑞聲聲學科技控股有限公司（AAC，簡稱“瑞聲科技”）；極少數中國廠商一開始就基于本土產業鏈自主研發核心芯片，蘇州敏芯微電子股份有限公司（MEMSensing，簡稱“敏芯股份”）則是這方面的典型代表，經過10余年的研發投入，完成了MEMS和ASIC芯片設計、晶圓制造、封裝和測試環節的基礎研發工作和核心技術積累，并幫助國內MEMS制造和封裝廠商開發了專業的MEMS晶圓制造與封裝工藝，實現了全生產環節的國產化。
目前，全球MEMS麥克風產業以“Fabless（無晶圓廠）設計公司+Foundry（晶圓制造代工廠）”模式為主，由于消費電子應用量大面廣，因此主流MEMS麥克風廠商采用8英寸MEMS代工線。
具體分析上述4個重要環節的典型廠商情況為：
在設計方面，國際領先廠商是樓氏電子（Knowles）、英飛凌科技公司（Infineon，簡稱“英飛凌”）、意法半導體集團（STMicroelectronics，簡稱“意法半導體”），國內廠商有歌爾股份、瑞聲科技、蘇州敏芯微電子技術股份有限公司（MEMSening，簡稱“敏芯股份”）等；
在制造方面，MEMS芯片制造是難點，國際領先廠商是索尼（Sony）、英飛凌科技公司、意法半導體集團，國內廠商有中芯集成電路制造（紹興）有限公司（SMEC）、華潤上華科技有限公司（CSMC）等，但總體來看，國內具有量產能力的MEMS制造廠商仍然較少，生產設備與制造工藝也與國外存在較大的差距；
在封裝和測試方面，MEMS麥克風廠商既有通過自有工廠的生產線完成，又有采用委外代工方式，國際領先外包封測廠商主要是日月光集團（ASE）、安靠科技公司（Amkor Technology），國內外包封測廠商有華天科技有限公司（TSHT，簡稱“華天科技”）、蘇州固锝電子股份有限公司（Goodark，簡稱“蘇州固锝”）等。
2010年，樓氏電子在全球MEMS麥克風市場中處于絕對領先地位，市場份額超過80%，而中國廠商以購買英飛凌裸芯片（包括MEMS和ASIC）進行封裝和測試的方式進入MEMS麥克風領域。
但隨著近些年中國MEMS麥克風廠商的長足進步，2019年，樓氏電子的市場份額下滑至36%，以歌爾股份、瑞聲科技、敏芯股份、共達電聲股份有限公司（Gettop，簡稱“共達電聲”）為代表的中國廠商也成為全球MEMS麥克風的主要參與者，進入了蘋果、華為等主流智能手機品牌廠商供應鏈，合計市場份額達到48%，幾乎占據全球市場的半壁江山。
并且，由于中美貿易戰愈演愈烈，海外供應體系受到種種限制，以智能手機為代表的智能終端廠商更加重視國內產業鏈的建設，更加愿意使用具有自主知識產權的國產元器件；加之，隨著上海證券交易所科創板于2019年6月13日正式開板，有效地解決了科技創新企業融資難的問題（例如敏芯股份于2020年8月10日登陸科創板），因此，中國MEMS麥克風廠商的發展速度繼續提升，有望進一步擴大市場份額，如圖2所示。
圖2 2019年全球領先的MEMS麥克風廠商市場份額（按照營收統計）
樓氏電子、歌爾股份和瑞聲科技主要在高端市場展開競爭，擁有較高的利潤率 ，典型客戶如蘋果、華為、三星等；而敏芯股份和共達電聲主要在中低端市場中激烈拼殺，處于薄利多銷的“紅海”。
值得一提的是，歌爾股份和瑞聲科技不僅僅購買英飛凌的裸芯片，而且自研芯片（包括本土團隊技術和收購國外技術，例如瑞聲科技曾經收購了MEMSTech公司和歐姆龍MEMS麥克風產品線）也已進入大批量生產階段，技術實力大幅提升。
近些年，由于智能音箱、智能手表、TWS耳機等新興市場蓬勃發展，吸引了眾多中國廠商加入MEMS麥克風“戰局”，既包括創業型MEMS廠商，如華景傳感科技（無錫）有限公司（SV Senstech，簡稱“華景傳感”）、蘇州明皜傳感科技有限公司（MiraMEMS，簡稱“明皜傳感”）、深迪半導體（上海）有限公司（Senodia，簡稱“深迪半導體”）、通用微科技有限公司（GMEMS，簡稱“通用微”），也包括傳統型集成電路廠商，如杭州士蘭微電子股份有限公司（Silan，簡稱“士蘭微”）、上海韋爾半導體股份有限公司（WillSemi，簡稱“韋爾股份”），還有立訊精密投資中國臺灣MEMS麥克風廠商美律電子深圳有限公司（Merry，簡稱“美律”）。
此外，英飛凌也更新了其商業策略，除了提供MEMS和ASIC裸芯片，還開始著手自己生產并銷售MEMS麥克風封裝成品。
2、MEMS麥克風發展趨勢
隨著消費類音頻電子設備對用戶體驗的孜孜追求、對各種功能的推陳出新，同時也得益于蘋果AirPods等爆款產品的潮流引領，業界對MEMS麥克風的性能要求不斷提高。
例如，指向性降噪及遠場語音識別功能需要一致性好（靈敏度、相位、頻率響應）、信噪比高（68dB以上）的MEMS麥克風；主動降噪功能對于在大聲壓、低失真場景下的應用也提出了要求，為此MEMS麥克風需具有更高的聲學過載點（130dB以上）和更好的低頻響應（15~20Hz保持平坦），以避免輸出信號的失真，從而保證降噪系統正常工作；
此外，可穿戴設備還對MEMS麥克風的功耗具有強烈的減小需求，因為低功耗可以延長設備使用時間，有利于設備實現語音喚醒功能——“Always On, Always Listening”（“始終打開，時刻聆聽”），為此多家MEMS麥克風廠商推出具有多種模式（工作模式/超低功耗模式/休眠模式）的產品。
而在一些面向汽車類音頻應用領域（如用戶與智能汽車的語音交互），則對MEMS麥克風的工作溫度范圍提出了更高的要求：−40~125℃（通常消費類產品的工作溫度為−40~85℃）。上述各種MEMS麥克風性能要求對MEMS及ASIC芯片的設計、制造、封裝和測試都提出了新挑戰，需要采用一些新原理、新結構、新工藝、新材料（如壓電材料）來實現滿足新應用需求的新器件。
目前，基于電容檢測原理的硅基MEMS麥克風在消費電子市場中仍占據最重要的地位，但是麥克風的檢測原理也在變革之中。
近些年，先進的聲學傳感技術領導廠商Vesper與全球領先的晶圓代工廠格羅方德半導體股份有限公司（Global foundries）合作推出了多款商業化的壓電式MEMS麥克風。這種基于壓電檢測原理的MEMS麥克風采用氮化鋁（AlN）薄膜材料，具備防水、防塵、抗顆粒物等特點，保證在任何環境下都具備出色的聲學性能。由于具備上述特性，系統設計人員能夠使用Vesper壓電式MEMS麥克風構建性能穩定的聲學陣列，不用考慮MEMS麥克風是否容易遭受損壞。因此，Vesper產品吸引了大量對產品質量和性能要求極高的系統設計商。
此外，由于壓電MEMS麥克風不需要偏置電壓，因此具有超快的啟動時間（例如Vesper的VM3000麥克風啟動時間低于200µs）。這種超快速啟動時間，使系統能夠快速喚醒以捕捉完整的關鍵字，當與Vesper的零功耗監
（ZeroPower Listening™）技術結合使用時，可大幅提升關鍵字的捕捉精度。除了Vesper采用的AlN材料，鋯鈦酸鉛（PZT）材料也被應用于壓電式MEMS麥克風，例如智動全球股份有限公司（GlobalMEMS）推出壓電MEMS技術平臺，通過創新的PZT材料應用，以8英寸晶圓制造線量產壓電式MEMS麥克風。雖然壓電式MEMS麥克風已有上述商業化產品，但是還有一些亟待解決的問題：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不理想。
電容式MEMS麥克風中的核心傳感結構由可動的振膜和固定的背板組成，外界聲音產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，那么電容所儲存的電荷量也發生變化，在負載電阻的兩端就會獲得一個隨聲壓變化的交流電壓，即完成“聲—電”轉換過程。
從上述傳感過程可以看出，振膜和背板是電容式MEMS麥克風的重要部件，極大地影響著產品性能和可靠性。性能方面的典型實例：為了滿足各種新興應用的音頻性能需求，英飛凌MEMS麥克風的MEMS芯片設計不斷演進，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）”，聲學性能一路提升。
最新的密封雙膜結構設計利用兩層振膜實現差分輸出，并且電容區域的密封可實現幾乎無噪聲的音頻信號捕獲，使得信噪比升至75dB，聲學過載點達到140dB，同時還具有防水和防塵功能，非常適合高品質錄音、主動降噪、音頻變焦等應用，如圖3所示。
可靠性方面的典型實例：目前市場上的MEMS麥克風振膜大多采用周邊完全固定的設計，這種設計會導致當MEMS麥克風突然遭受到較大的氣壓、氣流或高加速度沖擊時，因無法及時泄壓而導致振膜變形嚴重，當振膜變形產生的內應力超過臨界值時，就會引起振膜破裂，從而使MEMS麥克風失效。為了應對極端聲場環境，提升MEMS麥克風可靠性，瑞聲科技開創性地在振膜四周設計了可活動的狹縫結構，可將沖擊振膜正面的氣流通過狹縫迅速導流到振膜背面，從而提高振膜前后腔氣壓的平衡速度，提升振膜抗瞬時壓力沖擊的能力，降低MEMS麥克風的破膜率。
圖3 英飛凌電容式MEMS麥克風的MEMS芯片設計演進之路
由于消費電子市場的競爭激烈，減小芯片及封裝成品尺寸以降低麥克風成本仍然是領先廠商的努力方向之一。在MEMS芯片方面，市場上已經能見到面積為0.7mm × 0.7mm的商業化MEMS芯片，預計面積更小的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成本極度敏感的消費電子應用。由于MEMS芯片的厚度過薄會使得制造過程中產生較高的碎片率，且對產品可靠性有一些不利影響，因此未來不會追求對MEMS芯片的減薄。在ASIC芯片方面，模擬輸出MEMS麥克風的ASIC芯片尺寸已經接近極限，未來繼續縮小的空間不多；數字輸出MEMS麥克風的ASIC芯片則可以通過采用更先進的制造工藝來減小尺寸。在MEMS麥克風封裝成品方面，由于可穿戴設備的應用需求驅動，封裝尺寸越來越小，但是太小的封裝尺寸將帶來性能及可靠性的下降，所以2.7mm × 1.8mm是目前以及未來一段時間的主流尺寸。不過，一些特殊的音頻終端產品還會有內部空間局限的問題，從而促使更小MEMS麥克風封裝尺寸的出現。此外，筆記本電腦的屏幕無邊框趨勢提出了對更窄的MEMS麥克風封裝成品的需求，當然也可以采用側面進音的MEMS麥克風來滿足這一需求。
MEMS麥克風封裝結構包括一個安裝有MEMS和ASIC芯片的印刷電路板（printed circuit board，PCB）基板和一個保護殼體（主要有金屬和塑料兩種殼體材料）。印刷電路板基板或保護殼體上設置有聲孔，從而形成底部進音或頂部進音兩種主流方案。因為封裝結構影響聲學性能，通常底部進音方案比頂部進音方案的信噪比和靈敏度要高一些，所以更受高端降噪TWS耳機的青睞。
隨著MEMS麥克風市場規模持續擴大，應用領域日新月異，各種應用環境對MEMS麥克風封裝有著不同的要求，例如越來越多的可穿戴設備需要防水和防塵——這也成為MEMS麥克風廠商推出新產品的亮點。
主流的電容式MEMS麥克風常在封裝時采用超薄防護性網布和防水透氣膜覆蓋MEMS麥克風與外界環境相連接的進音口，以實現防水和防塵功能。另外，在智能手機、平板電腦和其他設備印刷電路板的大批量組裝過程中，存在一些可能損壞MEMS麥克風的失效問題，例如回流焊過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。這些問題會導致MEMS麥克風的聲學性能下降，并顯著影響良率，提高制造成本。為此，全球材料科學公司戈爾（Gore）開發了GORE® MEMS防水透氣材料（膨體聚四氟乙烯），其200型產品可在封裝過程中安裝到MEMS麥克風內部，以提供可靠的保護——有效防止壓力集聚和顆粒物污染，同時實現組裝流程中的聲學性能測試，無縫匹配高速生產線。最后，由于MEMS產業正向多傳感器集成方向前進，因此，單顆MEMS傳感器封裝成品中的MEMS芯片及其他元器件會不斷增多，例如歌爾股份推出了“MEMS麥克風+壓力傳感器”二合一封裝成品。
MEMS麥克風測試流程及設備早期由各家MEMS麥克風廠商自行開發設計，而現在已有成熟的在售MEMS麥克風測試設備，這為初創公司快速進入市場提供了便利的測試條件。由于新興應用對音頻質量的要求越來越高，因此MEMS麥克風測試設備需要不斷增加測試項目，包括靈敏度、頻率響應、相位、指向特性、失真度、本底噪聲和信噪比、最大聲壓級、脈沖響應等，多方位滿足性能測試需求，同時也需要提高并行測試能力和自動化程度，以提升MEMS麥克風的生產效率。此外，在以智能音箱為代表的麥克風陣列應用產品中，應該加強測試與分析“貼裝了MEMS麥克風和其他芯片的印刷電路板（printed circuit board assembly，PCBA）”，避免回流焊對聲學性能的影響，并且在最終完成整機裝配之后，還需要弄清所有MEMS麥克風之間的相對性能（其中一個典型的性能參數是“靈敏度跨度”，也就是陣列中MEMS麥克風的最大靈敏度和最小靈敏度的差值），評價麥克風陣列在整機中的性能表現，將不良產品攔截在組裝工廠內。
3、智能麥克風產業化情況
當今世界，以信息技術為代表的新一輪科技革命方興未艾，全球信息技術發展正處于跨界融合、加速創新、深度調整的歷史時期，呈現萬物互聯、萬物智能的新特征。基于MEMS技術的傳感器也正朝著智能化方向發展，形成功能豐富的智能傳感器，如智能麥克風、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傳感器的產品價值。算法與軟件是智能傳感器的靈魂與思想，也是MEMS傳感器表現出智能行為的內在方法和支撐。
以智能麥克風為例，樓氏電子在語音技術發展過程中采用了“軟硬整合，虛實并進”的思路，不僅在硬件方面長期保持MEMS麥克風市場的龍頭地位，還在算法與軟件方面積極布局，例如在2015年收購了語音解決方案供應商Audience，增強了其在智能語音和信號處理解決方案領域的實力——Audience基于深度神經網絡的語音識別算法助力樓氏電子開發出支持各種語言的語音喚醒技術：Voice ID，所以樓氏電子能夠以軟硬結合的完整方案實現高性能的語音處理與識別，為智能麥克風的誕生奠定了堅實的基礎。
受益于系統級封裝（system in package，SiP）及3D堆疊技術的發展，更多芯片可被集成于一顆小型封裝殼體內，從而使得智能傳感器可具備更多功能和特點。目前，樓氏電子已經發布了兩代智能麥克風：第一代是基于ASIC的智能麥克風，如IA200、IA201、IA210等，集成了聲學活動檢測器（acoustic activity detector），實現了自適應的“語音指令”實時監聽模式，并有效降低了系統功耗，但是對語音處理較為簡單，主要通過濾波算法獲得語音觸發信號以判斷是否超過檢測閾值，因而造成誤觸率較高，而對算法要求很高的先進語音識別功能則需要借助外部的數字信號處理器（digital signal processor，DSP）實現；第二代是基于DSP的AISonic™智能麥克風，如IA61x系列產品，將樓氏電子的高性能聲學SiSonic™ MEMS麥克風芯片和Tensilica公司的音頻優化DSP芯片封裝于一體，通過定制的內核設計和優化的指令集，進行系統性能優化以實現低功耗、高精度的語音喚醒和關鍵字識別功能。
AISonic™智能麥克風IA61x系列中的第一款產品“IA610”由樓氏電子于2017年推出，適合“始終打開，時刻聆聽”的移動設備、可穿戴設備、物聯網等應用。由于IA610提供了一個開放式的DSP平臺，因此系統集成商和第三方軟件開發商能夠開發出定制化的先進語音功能，或者利用樓氏電子提供的算法與軟件實現低功耗語音喚醒和語音控制、聲學事件探測（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：簡化集成設計過程，降低成本和功耗，減少引腳數目。樓氏電子的智能麥克風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品的上市時間。在應用案例方面，IA610獲得vivo NEX智能手機青睞，在“Jovi AI”人工智能助手中扮演著關鍵角色，可使智能手機更準確地識別主人的喚醒指令；IA610也在OPPO Find X智能手機中展示魅力，實現了一些獨特的新功能，例如“語音打斷”——用戶可以在音樂或視頻播放時用預設的關鍵詞打斷播放，并執行其他功能，如圖4所示。
圖4 AISonic™智能麥克風IA61x系列產品的功能示意圖
4、結論
經過十余年的不懈努力，中國MEMS麥克風廠商基于本土產業鏈完成了MEMS和ASIC芯片設計、晶圓制造、封裝和測試環節的基礎研發工作和核心技術積累，實現了MEMS麥克風全生產環節的國產化。
在全球激烈的競爭格局之中，中國MEMS麥克風廠商奮力崛起，合計市場份額已經遠超龍頭企業樓氏電子。但是，在高性能和智能化產品方面，中國MEMS麥克風廠商仍處于劣勢，以跟隨英飛凌和樓氏電子的技術路線為主。
由此可見，在MEMS麥克風領域，中低端產品的國產替代水平較高，而高端產品的國產替代水平仍較低。展望未來，中國MEMS麥克風廠商應結合人工智能技術，利用“聽得懂”的MEMS麥克風展現新的價值，把握智能麥克風的市場機遇！
本文內容轉載自《微納電子與智能制造》2020年第4期，版權歸《微納電子與智能制造》編輯部所有。
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