2020年，美国加强对华为实体清单管控，限制其使用美国技术设计和生产产品。严峻的外部环境逼迫华为转型并扶植国内供应商，同时加快我国半导体产业链的国产替代进程。

MEMS作为半导体领域的重要分支，是实现人机交互接口的赋能者，包括微机电系统（micro-electro-mechanical systems，MEMS）麦克风、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS压力传感器等。其中，MEMS麦克风的市场规模与日俱增，并与人工智能紧密结合，成为各种智能硬件的关键“入口”。

因此，有必要分析全球MEMS麦克风产业及中国厂商的市场地位，从而有助于研判该领域的国产替代水平。

1、MEMS麦克风产业现状

麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。

MEMS麦克风产业链主要包括“设计、制造、封装、测试”4个重要环节，设计和制造难度较大，往往体现MEMS厂商的核心竞争力，而封装和测试难度较小，易于掌握。
所以，很多中国厂商竞逐MEMS麦克风市场，首先从封装和测试做起，然后再逐步掌握核心芯片技术。

例如歌尔股份有限公司（Goertek，简称“歌尔股份”）和瑞声声学科技控股有限公司（AAC，简称“瑞声科技”）；极少数中国厂商一开始就基于本土产业链自主研发核心芯片，苏州敏芯微电子股份有限公司（MEMSensing，简称“敏芯股份”）则是这方面的典型代表，经过10余年的研发投入，完成了MEMS和ASIC芯片设计、晶圆制造、封装和测试环节的基础研发工作和核心技术积累，并帮助国内MEMS制造和封装厂商开发了专业的MEMS晶圆制造与封装工艺，实现了全生产环节的国产化。

目前，全球MEMS麦克风产业以“Fabless（无晶圆厂）设计公司+Foundry（晶圆制造代工厂）”模式为主，由于消费电子应用量大面广，因此主流MEMS麦克风厂商采用8英寸MEMS代工线。

具体分析上述4个重要环节的典型厂商情况为：

在设计方面，国际领先厂商是楼氏电子（Knowles）、英飞凌科技公司（Infineon，简称“英飞凌”）、意法半导体集团（STMicroelectronics，简称“意法半导体”），国内厂商有歌尔股份、瑞声科技、苏州敏芯微电子技术股份有限公司（MEMSening，简称“敏芯股份”）等；

在制造方面，MEMS芯片制造是难点，国际领先厂商是索尼（Sony）、英飞凌科技公司、意法半导体集团，国内厂商有中芯集成电路制造（绍兴）有限公司（SMEC）、华润上华科技有限公司（CSMC）等，但总体来看，国内具有量产能力的MEMS制造厂商仍然较少，生产设备与制造工艺也与国外存在较大的差距；

在封装和测试方面，MEMS麦克风厂商既有通过自有工厂的生产线完成，又有采用委外代工方式，国际领先外包封测厂商主要是日月光集团（ASE）、安靠科技公司（Amkor Technology），国内外包封测厂商有华天科技有限公司（TSHT，简称“华天科技”）、苏州固锝电子股份有限公司（Goodark，简称“苏州固锝”）等。

2010年，楼氏电子在全球MEMS麦克风市场中处于绝对领先地位，市场份额超过80%，而中国厂商以购买英飞凌裸芯片（包括MEMS和ASIC）进行封装和测试的方式进入MEMS麦克风领域。

但随着近些年中国MEMS麦克风厂商的长足进步，2019年，楼氏电子的市场份额下滑至36%，以歌尔股份、瑞声科技、敏芯股份、共达电声股份有限公司（Gettop，简称“共达电声”）为代表的中国厂商也成为全球MEMS麦克风的主要参与者，进入了苹果、华为等主流智能手机品牌厂商供应链，合计市场份额达到48%，几乎占据全球市场的半壁江山。

并且，由于中美贸易战愈演愈烈，海外供应体系受到种种限制，以智能手机为代表的智能终端厂商更加重视国内产业链的建设，更加愿意使用具有自主知识产权的国产元器件；加之，随着上海证券交易所科创板于2019年6月13日正式开板，有效地解决了科技创新企业融资难的问题（例如敏芯股份于2020年8月10日登陆科创板），因此，中国MEMS麦克风厂商的发展速度继续提升，有望进一步扩大市场份额，如图2所示。

图2 2019年全球领先的MEMS麦克风厂商市场份额（按照营收统计）

楼氏电子、歌尔股份和瑞声科技主要在高端市场展开竞争，拥有较高的利润率 ，典型客户如苹果、华为、三星等；而敏芯股份和共达电声主要在中低端市场中激烈拼杀，处于薄利多销的“红海”。

值得一提的是，歌尔股份和瑞声科技不仅仅购买英飞凌的裸芯片，而且自研芯片（包括本土团队技术和收购国外技术，例如瑞声科技曾经收购了MEMSTech公司和欧姆龙MEMS麦克风产品线）也已进入大批量生产阶段，技术实力大幅提升。

近些年，由于智能音箱、智能手表、TWS耳机等新兴市场蓬勃发展，吸引了众多中国厂商加入MEMS麦克风“战局”，既包括创业型MEMS厂商，如华景传感科技（无锡）有限公司（SV Senstech，简称“华景传感”）、苏州明皜传感科技有限公司（MiraMEMS，简称“明皜传感”）、深迪半导体（上海）有限公司（Senodia，简称“深迪半导体”）、通用微科技有限公司（GMEMS，简称“通用微”），也包括传统型集成电路厂商，如杭州士兰微电子股份有限公司（Silan，简称“士兰微”）、上海韦尔半导体股份有限公司（WillSemi，简称“韦尔股份”），还有立讯精密投资中国台湾MEMS麦克风厂商美律电子深圳有限公司（Merry，简称“美律”）。

此外，英飞凌也更新了其商业策略，除了提供MEMS和ASIC裸芯片，还开始着手自己生产并销售MEMS麦克风封装成品。

2、MEMS麦克风发展趋势

随着消费类音频电子设备对用户体验的孜孜追求、对各种功能的推陈出新，同时也得益于苹果AirPods等爆款产品的潮流引领，业界对MEMS麦克风的性能要求不断提高。

例如，指向性降噪及远场语音识别功能需要一致性好（灵敏度、相位、频率响应）、信噪比高（68dB以上）的MEMS麦克风；主动降噪功能对于在大声压、低失真场景下的应用也提出了要求，为此MEMS麦克风需具有更高的声学过载点（130dB以上）和更好的低频响应（15~20Hz保持平坦），以避免输出信号的失真，从而保证降噪系统正常工作；
此外，可穿戴设备还对MEMS麦克风的功耗具有强烈的减小需求，因为低功耗可以延长设备使用时间，有利于设备实现语音唤醒功能——“Always On, Always Listening”（“始终打开，时刻聆听”），为此多家MEMS麦克风厂商推出具有多种模式（工作模式/超低功耗模式/休眠模式）的产品。

而在一些面向汽车类音频应用领域（如用户与智能汽车的语音交互），则对MEMS麦克风的工作温度范围提出了更高的要求：−40~125℃（通常消费类产品的工作温度为−40~85℃）。上述各种MEMS麦克风性能要求对MEMS及ASIC芯片的设计、制造、封装和测试都提出了新挑战，需要采用一些新原理、新结构、新工艺、新材料（如压电材料）来实现满足新应用需求的新器件。

目前，基于电容检测原理的硅基MEMS麦克风在消费电子市场中仍占据最重要的地位，但是麦克风的检测原理也在变革之中。

近些年，先进的声学传感技术领导厂商Vesper与全球领先的晶圆代工厂格罗方德半导体股份有限公司（Global foundries）合作推出了多款商业化的压电式MEMS麦克风。这种基于压电检测原理的MEMS麦克风采用氮化铝（AlN）薄膜材料，具备防水、防尘、抗颗粒物等特点，保证在任何环境下都具备出色的声学性能。由于具备上述特性，系统设计人员能够使用Vesper压电式MEMS麦克风构建性能稳定的声学阵列，不用考虑MEMS麦克风是否容易遭受损坏。因此，Vesper产品吸引了大量对产品质量和性能要求极高的系统设计商。

此外，由于压电MEMS麦克风不需要偏置电压，因此具有超快的启动时间（例如Vesper的VM3000麦克风启动时间低于200µs）。这种超快速启动时间，使系统能够快速唤醒以捕捉完整的关键字，当与Vesper的零功耗监

（ZeroPower Listening™）技术结合使用时，可大幅提升关键字的捕捉精度。除了Vesper采用的AlN材料，锆钛酸铅（PZT）材料也被应用于压电式MEMS麦克风，例如智动全球股份有限公司（GlobalMEMS）推出压电MEMS技术平台，通过创新的PZT材料应用，以8英寸晶圆制造线量产压电式MEMS麦克风。虽然压电式MEMS麦克风已有上述商业化产品，但是还有一些亟待解决的问题：压电MEMS制造工艺的良率仍需提升；压电MEMS制造工艺（如PZT材料）与CMOS制造工艺的兼容性；与电容式MEMS麦克风同等灵敏度情况下，其芯片尺寸较大、成本较高；灵敏度低和低频响应不理想。

电容式MEMS麦克风中的核心传感结构由可动的振膜和固定的背板组成，外界声音产生的压力致使振膜形变，从而改变振膜与背板之间的电容值，那么电容所储存的电荷量也发生变化，在负载电阻的两端就会获得一个随声压变化的交流电压，即完成“声—电”转换过程。

从上述传感过程可以看出，振膜和背板是电容式MEMS麦克风的重要部件，极大地影响着产品性能和可靠性。性能方面的典型实例：为了满足各种新兴应用的音频性能需求，英飞凌MEMS麦克风的MEMS芯片设计不断演进，从2010年的“单背板（single backplate）”到2014年的“双背板（dual backplate）”，再到2020年的“密封双膜（sealed dual membrane）”，声学性能一路提升。

最新的密封双膜结构设计利用两层振膜实现差分输出，并且电容区域的密封可实现几乎无噪声的音频信号捕获，使得信噪比升至75dB，声学过载点达到140dB，同时还具有防水和防尘功能，非常适合高品质录音、主动降噪、音频变焦等应用，如图3所示。

可靠性方面的典型实例：目前市场上的MEMS麦克风振膜大多采用周边完全固定的设计，这种设计会导致当MEMS麦克风突然遭受到较大的气压、气流或高加速度冲击时，因无法及时泄压而导致振膜变形严重，当振膜变形产生的内应力超过临界值时，就会引起振膜破裂，从而使MEMS麦克风失效。为了应对极端声场环境，提升MEMS麦克风可靠性，瑞声科技开创性地在振膜四周设计了可活动的狭缝结构，可将冲击振膜正面的气流通过狭缝迅速导流到振膜背面，从而提高振膜前后腔气压的平衡速度，提升振膜抗瞬时压力冲击的能力，降低MEMS麦克风的破膜率。

图3 英飞凌电容式MEMS麦克风的MEMS芯片设计演进之路

由于消费电子市场的竞争激烈，减小芯片及封装成品尺寸以降低麦克风成本仍然是领先厂商的努力方向之一。在MEMS芯片方面，市场上已经能见到面积为0.7mm × 0.7mm的商业化MEMS芯片，预计面积更小的MEMS芯片将很快面市，虽然性能水平一般，但是可以满足众多对成本极度敏感的消费电子应用。由于MEMS芯片的厚度过薄会使得制造过程中产生较高的碎片率，且对产品可靠性有一些不利影响，因此未来不会追求对MEMS芯片的减薄。在ASIC芯片方面，模拟输出MEMS麦克风的ASIC芯片尺寸已经接近极限，未来继续缩小的空间不多；数字输出MEMS麦克风的ASIC芯片则可以通过采用更先进的制造工艺来减小尺寸。在MEMS麦克风封装成品方面，由于可穿戴设备的应用需求驱动，封装尺寸越来越小，但是太小的封装尺寸将带来性能及可靠性的下降，所以2.7mm × 1.8mm是目前以及未来一段时间的主流尺寸。不过，一些特殊的音频终端产品还会有内部空间局限的问题，从而促使更小MEMS麦克风封装尺寸的出现。此外，笔记本电脑的屏幕无边框趋势提出了对更窄的MEMS麦克风封装成品的需求，当然也可以采用侧面进音的MEMS麦克风来满足这一需求。

MEMS麦克风封装结构包括一个安装有MEMS和ASIC芯片的印刷电路板（printed circuit board，PCB）基板和一个保护壳体（主要有金属和塑料两种壳体材料）。印刷电路板基板或保护壳体上设置有声孔，从而形成底部进音或顶部进音两种主流方案。因为封装结构影响声学性能，通常底部进音方案比顶部进音方案的信噪比和灵敏度要高一些，所以更受高端降噪TWS耳机的青睐。

随着MEMS麦克风市场规模持续扩大，应用领域日新月异，各种应用环境对MEMS麦克风封装有着不同的要求，例如越来越多的可穿戴设备需要防水和防尘——这也成为MEMS麦克风厂商推出新产品的亮点。

主流的电容式MEMS麦克风常在封装时采用超薄防护性网布和防水透气膜覆盖MEMS麦克风与外界环境相连接的进音口，以实现防水和防尘功能。另外，在智能手机、平板电脑和其他设备印刷电路板的大批量组装过程中，存在一些可能损坏MEMS麦克风的失效问题，例如回流焊过程中由极端高温引起的压力升高、颗粒物和助焊剂蒸汽污染等。这些问题会导致MEMS麦克风的声学性能下降，并显著影响良率，提高制造成本。为此，全球材料科学公司戈尔（Gore）开发了GORE® MEMS防水透气材料（膨体聚四氟乙烯），其200型产品可在封装过程中安装到MEMS麦克风内部，以提供可靠的保护——有效防止压力集聚和颗粒物污染，同时实现组装流程中的声学性能测试，无缝匹配高速生产线。最后，由于MEMS产业正向多传感器集成方向前进，因此，单颗MEMS传感器封装成品中的MEMS芯片及其他元器件会不断增多，例如歌尔股份推出了“MEMS麦克风+压力传感器”二合一封装成品。

MEMS麦克风测试流程及设备早期由各家MEMS麦克风厂商自行开发设计，而现在已有成熟的在售MEMS麦克风测试设备，这为初创公司快速进入市场提供了便利的测试条件。由于新兴应用对音频质量的要求越来越高，因此MEMS麦克风测试设备需要不断增加测试项目，包括灵敏度、频率响应、相位、指向特性、失真度、本底噪声和信噪比、最大声压级、脉冲响应等，多方位满足性能测试需求，同时也需要提高并行测试能力和自动化程度，以提升MEMS麦克风的生产效率。此外，在以智能音箱为代表的麦克风阵列应用产品中，应该加强测试与分析“贴装了MEMS麦克风和其他芯片的印刷电路板（printed circuit board assembly，PCBA）”，避免回流焊对声学性能的影响，并且在最终完成整机装配之后，还需要弄清所有MEMS麦克风之间的相对性能（其中一个典型的性能参数是“灵敏度跨度”，也就是阵列中MEMS麦克风的最大灵敏度和最小灵敏度的差值），评价麦克风阵列在整机中的性能表现，将不良产品拦截在组装工厂内。

3、智能麦克风产业化情况

当今世界，以信息技术为代表的新一轮科技革命方兴未艾，全球信息技术发展正处于跨界融合、加速创新、深度调整的历史时期，呈现万物互联、万物智能的新特征。基于MEMS技术的传感器也正朝着智能化方向发展，形成功能丰富的智能传感器，如智能麦克风、智能气体传感器、智能惯性传感器、智能光电传感器等，大幅提升MEMS传感器的产品价值。算法与软件是智能传感器的灵魂与思想，也是MEMS传感器表现出智能行为的内在方法和支撑。

以智能麦克风为例，楼氏电子在语音技术发展过程中采用了“软硬整合，虚实并进”的思路，不仅在硬件方面长期保持MEMS麦克风市场的龙头地位，还在算法与软件方面积极布局，例如在2015年收购了语音解决方案供应商Audience，增强了其在智能语音和信号处理解决方案领域的实力——Audience基于深度神经网络的语音识别算法助力楼氏电子开发出支持各种语言的语音唤醒技术：Voice ID，所以楼氏电子能够以软硬结合的完整方案实现高性能的语音处理与识别，为智能麦克风的诞生奠定了坚实的基础。

受益于系统级封装（system in package，SiP）及3D堆叠技术的发展，更多芯片可被集成于一颗小型封装壳体内，从而使得智能传感器可具备更多功能和特点。目前，楼氏电子已经发布了两代智能麦克风：第一代是基于ASIC的智能麦克风，如IA200、IA201、IA210等，集成了声学活动检测器（acoustic activity detector），实现了自适应的“语音指令”实时监听模式，并有效降低了系统功耗，但是对语音处理较为简单，主要通过滤波算法获得语音触发信号以判断是否超过检测阈值，因而造成误触率较高，而对算法要求很高的先进语音识别功能则需要借助外部的数字信号处理器（digital signal processor，DSP）实现；第二代是基于DSP的AISonic™智能麦克风，如IA61x系列产品，将楼氏电子的高性能声学SiSonic™ MEMS麦克风芯片和Tensilica公司的音频优化DSP芯片封装于一体，通过定制的内核设计和优化的指令集，进行系统性能优化以实现低功耗、高精度的语音唤醒和关键字识别功能。

AISonic™智能麦克风IA61x系列中的第一款产品“IA610”由楼氏电子于2017年推出，适合“始终打开，时刻聆听”的移动设备、可穿戴设备、物联网等应用。由于IA610提供了一个开放式的DSP平台，因此系统集成商和第三方软件开发商能够开发出定制化的先进语音功能，或者利用楼氏电子提供的算法与软件实现低功耗语音唤醒和语音控制、声学事件探测（例如玻璃破碎或婴儿啼哭）等功能。IA610还是首款采用MIPI SoundWire接口的嵌入式音频器件，选择这一接口的好处在于：简化集成设计过程，降低成本和功耗，减少引脚数目。楼氏电子的智能麦克风解决方案以其完整的硬件、软件、固件、代码和工具包加速了音频电子产品的上市时间。在应用案例方面，IA610获得vivo NEX智能手机青睐，在“Jovi AI”人工智能助手中扮演着关键角色，可使智能手机更准确地识别主人的唤醒指令；IA610也在OPPO Find X智能手机中展示魅力，实现了一些独特的新功能，例如“语音打断”——用户可以在音乐或视频播放时用预设的关键词打断播放，并执行其他功能，如图4所示。

图4 AISonic™智能麦克风IA61x系列产品的功能示意图

4、结论

经过十余年的不懈努力，中国MEMS麦克风厂商基于本土产业链完成了MEMS和ASIC芯片设计、晶圆制造、封装和测试环节的基础研发工作和核心技术积累，实现了MEMS麦克风全生产环节的国产化。

在全球激烈的竞争格局之中，中国MEMS麦克风厂商奋力崛起，合计市场份额已经远超龙头企业楼氏电子。但是，在高性能和智能化产品方面，中国MEMS麦克风厂商仍处于劣势，以跟随英飞凌和楼氏电子的技术路线为主。

由此可见，在MEMS麦克风领域，中低端产品的国产替代水平较高，而高端产品的国产替代水平仍较低。展望未来，中国MEMS麦克风厂商应结合人工智能技术，利用“听得懂”的MEMS麦克风展现新的价值，把握智能麦克风的市场机遇！

本文内容转载自《微纳电子与智能制造》2020年第4期，版权归《微纳电子与智能制造》编辑部所有。
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