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MEMS麦克风:新兴技术与市场趋势
2015-07-05 08:49:20   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

MEMS麦克风市场一直保持稳定增长势头,根据麦姆斯咨询研究,2015年MEMS麦克风市场规模将达到12亿美元。其中,约9亿美元来自智能手机、平板电脑和可穿戴设备的贡献。其它应用包括助听器、汽车、虚拟现实、耳机、智能家居和物联网。

麦姆斯咨询 王懿 / 编译

MEMS麦克风市场一直保持稳定增长势头,根据麦姆斯咨询研究,2015年MEMS麦克风市场规模将达到12亿美元。其中,约9亿美元来自智能手机、平板电脑和可穿戴设备的贡献。其它应用包括助听器、汽车、虚拟现实、耳机、智能家居和物联网。由于MEMS麦克风的品质不断提高,新的应用层出不穷,如远场和定向音频采集。为了获得MEMS麦克风领域的最新动态,我们最近采访了MEMS麦克风初创企业Vesper首席执行官Matt Crowley。在本次采访中,Matt讲述了MEMS麦克风产品价格、技术趋势、新兴应用、竞争格局、商业化挑战等观点。

 MEMS麦克风初创企业Vesper

问:如今,MEMS麦克风的主要趋势有哪些?

Matt:MEMS麦克风主要趋势仍然是向高信噪比(SNR)和高可靠性方向发展。新兴应用,如远场和定向音频采集,需要更好的信噪比。其它趋势还包括器件尺寸减小。此外,对于一些物联网设备,将来在MEMS麦克风中的数字内容会越来越多。

 手机、平板和可穿戴设备中的MEMS麦克风市场(按信噪比细分)

图1 手机、平板和可穿戴设备中的MEMS麦克风市场(按信噪比细分)

问:关于价格和性能方面,有哪些关键因素是要记住的?

Matt:有几个因素影响价格。主要影响因素是高信噪比且小尺寸。我们发现价格和信噪比之间存在明显的相关性,同时,模拟和数字之间也有着价格差异,数字MEMS麦克风价格更高。如果MEMS麦克风供应商能够持续推进其性能范围并具有高可靠性,那么他们可以保持有竞争力的价格。总体来说,价格取决于一些关键因素:信噪比、尺寸、数字 vs. 模拟、出货量。Vesper策略是每年都会发布更高信噪比的产品,保持价格与技术的领先优势。

问:高、中和低信噪比的实际有效数字是什么?相应的价格和发展趋势又怎样?

Matt:当出货量非常大时(例如超过1亿颗MEMS麦克风),我预测信噪比为60dB的MEMS麦克风价格为0.2美元,63dB为0.3美元,65dB为0.45美元,67dB为0.6美元。当然,价格在市场上也具有可变性,但是以上预测值都是在合理区间内。我还发现,市场上似乎有一个“杠铃分布法则”——换句话说,系统集成厂商要么购买价格最便宜的麦克风,要么购买性能最好的麦克风,“中庸”的产品是不太受欢迎的。

此外,上述价格预测是针对最低信噪比,而不是典型规格(值)。对于信噪比。只有最低规格才是有保证的,但是大部分厂商的营销材料和规格书给出的是典型规格。例如,一款67dB电容式MEMS麦克风的误差范围是+/- 2dB,那么,这意味着最低规格是65dB。

问:你认为MEMS麦克风的平均销售价格(ASP)发展如何?

Matt:低端MEMS麦克风的价格下跌速度最快,所以MEMS麦克风厂商必须不断地推出具有更好性能的新产品,以改善或维持产品ASP。例如,数字麦克风有较大的溢价,因为相比模拟麦克风,其供应商较少。但是,一旦供应商数量增加,价格会加速侵蚀。过去几年,MEMS麦克风产业界一直在努力提高电容式MEMS麦克风的信噪比,降低产品价格。

问:你有看到市场上近期发布的集成远场和定向音频功能的设备吗?如果看到,有哪些厂家提供?

Matt:是的,我已看到市场上涌现出一些集成远场和定向音频功能的智能设备。例如,亚马逊最近发布的语音助手Echo获得很好的市场评价。Echo基本上可以说是一款声控计算机,采用7个MEMS麦克风构成阵列。Echo为何取得成功?我认为其充分利用了远场和定向音频技术,实现了出众的语音识别能力,让用户在使用Echo功能时能做到真正的无需用手(Hands Free),方便自由。此外,还有一款先进的安全摄像机使用13个MEMS麦克风构成阵列。该客户采用了我们的VM101麦克风。

在高端领域,一家名为Norsonic的公司已经研发出一款定向音频产品,并投入到市场中。Norsonic声学相机根据性能需求采用128~384个麦克风,产品直径尺寸范围0.4~1.6米,远大于普通消费类设备。Norsonic产品的精度是很高的,对于Vesper而言,充满了机遇和挑战,我们有信心提供高性能产品满足客户需求。

问:目前,MEMS麦克风阵列进展如何?有哪些应用和实际案例?

Matt:由于只有少数企业付诸努力,因此我们还没有看到MEMS麦克风阵列获得大规模应用,主要原因是过多的麦克风难以匹配。为了实现高性能麦克风阵列,各个麦克风必须在灵敏度和相位方面高度匹配。同时,灵敏度和相位也必须是随时间保持稳定的,不受环境条件变化的影响,且抗污染。采用电容式MEMS麦克风,每个麦克风常常需要手工匹配,那么当阵列中的麦克风数量增加时,手工匹配难度就增大。由于压电工艺更加可控、稳定,所以,麦克风制造商可以从两个不同带卷或批次中任意取出两个匹配的麦克风。

问:相比传统的麦克风,Vesper的MEMS麦克风技术有何不同?

Matt:1916年贝尔实验室研发了第一款电容式麦克风。传统的驻极体麦克风是利用电容大小的变化,将声音信号转化为电信号;现在的电容式MEMS麦克风也采用相同的工作原理,采用硅晶圆制造工艺将麦克风小型化。电容式麦克风是一个带有可移动振膜和刚性背板的电容性传感器,当外界声音引起振膜运动时,导致振膜与背板间的电容量发生变化,进而该信号被麦克风中的专用集成电路(ASIC)放大、测量。

Vesper采用一种完全不同的传感方法——压电技术,来制造MEMS麦克风。压电式麦克风的结构非常简单,采用一个悬臂梁来感受声音,并直接产生一个较大的电压信号。因此,我们的技术是麦克风发展100年来的一次大飞跃!

 Vesper的MEMS麦克风(3.35 x 2.5 mm):压电MEMS结构和定制的ASIC

图2 Vesper的MEMS麦克风(3.35 x 2.5 mm):压电MEMS结构和定制的ASIC

问:你们技术的最大挑战和风险是什么?

Matt:压电MEMS技术需要在氮化铝(AlN)膜方面有大量的经验和专业知识,并且需要很多年的研发积累。如果很好地掌握了该技术,那么薄膜工艺稳定且可控,像Avago和Qorvo已经证明压电工艺的可行性。

压电MEMS的ASIC是非常简单的,因为我们的MEMS芯片不需要高压偏置或增益调整,从而使得ASIC小很多、电源抑制比(PSRR)提高。

问:你们过去2-3年主要解决了哪些技术挑战?现在还有哪些需要攻克的技术挑战?

Matt:过去几年,主要完善麦克风设计、实现制造工艺——我们花了很多时间优化AlN的沉积工艺。到目前为止,我们还没遇到任何重大的技术挑战。一旦Vesper第一款产品进入批量生产,我们将集中精力进一步提高产品性能。

问:关于制造工艺,你可以再具体一点吗?例如,你可以介绍一些你们不得不解决的问题?

Matt:我们很幸运,目前还没遇到太多问题。实现麦克风优良特性的AlN薄膜工艺参数是一项最为困难的环节,我们在此花费了最多时间和努力。

问:你是如何协调企业发展和筹措资金?你们已经融了多少钱?

Matt:我们从战略和财务投资者那里融资。财务投资者包括Atlas Ventures(一家在MEMS领域有丰富经验的波士顿VC)、密歇根大学(我们的共同创始人、麦克风技术发明者Bobby Littrell和Karl Grosh来自于此)。其它战略投资者包括一家在麦克风领域非常大的亚洲公司(注:根据麦姆斯咨询调研,2014年瑞声科技(AAC)花费1229.4万人民币入股Vesper,拥有一个董事会席位)。目前,我们已经融了350万美金。

问:像苹果、三星这样的大公司通常不会采用小企业或初创公司的产品,您如何在市场上拓展Vesper产品?

Matt:我们的商业模式是善用合作伙伴,自己集中精力于产品设计和营销。我们将出售MEMS和ASIC裸片给亚洲公司,他们将完成后续封装、测试,并销售最终麦克风成品(注:麦姆斯咨询认为该方式类似英飞凌,有助于其投资商瑞声科技增加供货渠道,并实现技术升级)。

问:你认为InvenSense收购ADI的MEMS麦克风业务是否是一个好主意?

Matt:我不能对此加以评论,因为我不清楚他们将如何操作。有趣的巧合是他们的办公室离我们只有几个街区。我只能说MEMS麦克风是一个很大的市场,每个厂商都有机会。

问:Vesper核心技术最初是在密歇根大学研发的,至少花费了5-6年时间。为什么该技术花费如此长的时间才走向商业化?

Matt:纵观全球MEMS产品的生命周期,实际上我们从设计到量产的速度已经很快了。第一款麦克风由我们的创始人于2009年在密歇根大学设计完成。2009-2014年,公司通过科研经费资助在科研类晶圆厂(fab)中完善技术和工艺,并进行商业化改进。2014年,公司拿到外部第一轮融资,聘请了一个工程团队,并将技术转移到商业化代工厂中。实际上,Vesper将技术导入代工厂并推出产品,花费的时间不到一年。我认为我们有信心无需过多融资就能完善技术,因为在设计之初,我们就准备将其迅速商业化。Vesper利用不到400万美元的融资就使得产品就进入了市场,相比MEMS领域典型的5000万至1亿美元的融资,具有很大的意义和价值。

问:你们专注于哪些市场?例如,可穿戴设备、智能手机、助听器。

Matt:我们的第一款产品是单端模拟MEMS麦克风,可以广泛应用于消费电子产品中。目标应用包括智能手机和可穿戴设备。在产品路线图上,我们还有差分和数字麦克风,以及合作伙伴战略计划,这将为我们提供更为广泛的应用市场。

问:为什么你们认为市场需要另一家麦克风公司?从OEM角度来看,你们主要解决什么问题?

Matt:两个原因。首先,现有的电容式麦克风仍然有重大的可靠性问题,压电技术使麦克风更加可靠、稳定。Vesper不仅会提高产品可靠性,还将使集成MEMS麦克风的消费电子产品无需担心浸水的烦恼,用户可以戴着产品在海滩和泳池中尽情玩耍。其次,OEM厂商希望开发一些令人惊喜的、具有创新性的音频应用,但是由于麦克风性能束缚而受阻。例如,通过远场音频采集实现语音控制的智能家居;通过波束成形实现定向音频应用;下一代先进的噪声消除应用等。这些应用需要小型、稳定、高度匹配的麦克风阵列,同时信噪比也要比目前市场上的产品要高。

问:你们打算何时开始批量出货?并预测下出货量?

Matt:我们计划2015年第四季度出货少量MEMS和ASIC裸片给合作伙伴(注:麦姆斯咨询认为前期出货以瑞声科技为主),我们期望2016年Vesper的MEMS麦克风能在消费电子产品中出现,但是我无法预测具体出货量数据。

除了采访Matt Crowley,我们也联系了IHS资深首席分析师Jeremie Bouchaud,获得了他对MEMS麦克风市场的观点。

问:你如何看待MEMS麦克风的平均销售价格(ASP)下跌趋势?

Jeremie:相比其它MEMS消费电子应用,诸如加速度计,过去几年MEMS麦克风的价格侵蚀已经相当温和。主要原因是,不像惯性传感器厂商(ST、Bosch),MEMS麦克风领导厂商——楼氏电子并没有通过降价来维持其市场份额。此外,自从iPhone 4的语音助手Siri的出现,智能手机对于高性能MEMS麦克风的需求旺盛。对于MEMS麦克风来说,高性能意味着产品溢价(这也和惯性传感器不同),因此这也减缓整体价格下跌。

问:展望未来,你认为MEMS麦克风市场是否能缓解价格下跌压力?

Jeremie:很难说MEMS麦克风价格下跌压力将趋缓。因为,楼氏电子已经失去了iPhone订单,但是楼氏电子的离开,却为更多新厂商开放了机会,所以在定价策略方面会更加激进。此外,目前MEMS麦克风的信噪比达到65-66dB稳定水平,如果该性能无法继续突破,那么厂商之间只能通过降价来竞争,将进一步促使市场价格侵蚀。

问:你认为未来MEMS麦克风的价格走势如何?

Jeremie:我可以提供一个价格区间。对于低性能(信噪比59dB)模拟MEMS麦克风,2015年的大批量供货价格小于0.2美元。对于高性能(信噪比65-66dB)模拟MEMS麦克风,2015年的大批量供货价格高于0.3美元。

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