智能音箱将MEMS麦克风推向高潮,为啥中国企业是最大赢家

2017-08-10 14:14:24 来源:半导体行业观察
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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。

智能音箱将MEMS麦克风推向新的高潮
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。

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。

 


Iron Man“吩咐”人工智能机器人Jarvis工作。(sorce:internet)



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。

 


Amazon Echo的拆解(绿色圈起来的就是MEMS麦克风S1053 0090 V6,source:ifixit)


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。。

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。

 


MEMS麦克风的未来几年的市场走势(source:Yole)


四大厂商垄断MEMS麦克风市场,中国居其二
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。

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。

MEMS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。

 


MEMS 麦克风的构造图


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。

 
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