智能手機已成為每人不缺少的電子產品，當你用智能手機接聽電話，聲音則是通過聽筒和話筒裡的聲學傳感器（MEMS麥克風）來接收。在聽力減弱的老年人和聽力喪失人群中，助聽器成為不可或缺的“助手”，而助聽器信號鏈的前段則是MEMS麥克風。在可穿戴設備、語音控制車輛系統、智能家居、VR/AR遊戲等需要音頻定位、自動語音識別、自動說話人識別的新興領域，MEMS麥克風充當為人機交互的“橋樑”的角色。
在人工智能發展的紅紅火火的時代，首先要識別外界信息，接收外界聲音信息，MEMS麥克風則如同人類的耳朵，獲取聲音信息。巨大的應用市場，讓MEMS麥克風在中國MEMS產值市場的份額僅位於壓力傳感器之後，位列第二名。據Yole的數據，2014~2020年MEMS麥克風的複合年增長率為17.8%，產值預計將從2014年的7600萬美元增至2020年的2.03億美元。
2020年中國MEMS產值按照產品類型分佈
麥克風的發展演變
駐極體麥克風（ECM）是最早發展起來的麥克風，工作原理是利用駐有永久電荷的聚合材料振動膜。ECM已有50多年的歷史，至今仍佔據麥克風的主要市場。但其技術門檻低，尺寸大，性能不能滿足日益發展的電子產品需求，勢必將為MEMS麥克風所取代。
MEMS麥克風是由MEMS芯片、微集成轉換電路（放大器）、聲腔及RF抗噪電路組成。電容式MEMS麥克風利用電容大小的變化，將聲音信號轉化為電信號，採用矽晶圓製造工藝將麥克風小型化。其具有體積小，性能高等優勢，自首次亮相以後，該市場持續飆升。幾乎每部智能手機中都至少使用一個MEMS麥克風，一些高端智能手機甚至使用三個MEMS麥克風：一個用於語音採集，一個或兩個用於噪音消除，一個用於改善語音識別。蘋果熱賣的iPhone 6S Plus使用的MEMS麥克風數量多達四個。
隨著對高信噪比和高可靠性MEMS麥克風的追求，壓電技術製造的MEMS麥克風陣列也成為熱點。MEMS麥克風陣列採用多個MEMS麥克風，捕捉從不同方向傳來的聲音，通過算法運算使麥克風指向某一個特定方向，放大從該方向捕捉到的音頻信號，同時衰減從其它方向捕捉的音頻信號，整個動作就像一個智能麥克風。壓電式麥克風的結構非常簡單，採用一個懸臂梁來感受聲音，並直接產生一個較大的電壓信號。單層膜的設計架構，本身防污、防塵、防水能力就可提升不少，信噪比當然也會自然提升。該項技術的主要難點是如何保證壓電薄膜氮化鋁的工藝參數的穩定性。目前壓電式MEMS麥克風已經成為各大廠商的積極佈局的領域。
如果說MEMS麥克風是模仿人類聽覺，那麼超聲波傳感器則超越人類聽覺。超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其它能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是振動頻率高於20KHz的機械波，具有頻率高、波長短、繞射現像小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波傳感器所接收聲波範圍遠遠超過人體耳朵的能力範圍，可應用於入侵者警報裝置、3D手勢識別、測量與目標物體間的距離以及指紋識別等。
MEMS麥克風“面面觀”
電容式MEMS麥克風
電容式MEMS麥克風包含一個靈活懸浮的薄膜，它可在一個固定背板之上自由移動，所有元件均在一個矽晶圓上製造。該結構形成一個可變電容，固定電荷施加於薄膜與背板之間。傳入的聲壓波通過背板中的孔，引起薄膜運動，其運動量與壓縮和稀疏波的幅度成比例。這種運動改變薄膜與背板之間的距離，進而改變電容。
聲波壓力對麥克風電容的影響示意圖
封裝方式是聲學構成的重要部分，是影響MEMS麥克風性能的主要因素。按封裝方式分類可以分為：頂部進聲和底部進聲。前者進聲孔位於麥克風的外殼頂部，與麥克風焊盤面相對；後者聲孔位於麥克風底部基板，與焊盤同面。頂部進聲，可以減少前腔，背腔體積增大，有利於提高靈敏度，降低信噪比。
常見的MEMS麥克風封裝方式
電容式MEMS麥克風是當前消費電子市場的主流，但其隨著時間的推移會出現性能漂移，無法滿足高性能產品的要求。因此，業界巨頭都在採用壓電技術的MEMS麥克風陣列加大了研發投入。
採用壓電技術的MEMS麥克風
MEMS麥克風陣列對每顆麥克風的靈敏度和相位的匹配有非常高的要求，其特性不能隨時間漂移，且需抗污染能力強。如果採用電容式MEMS麥克風，離廠後會出現性能漂移，當麥克風數量增加時，手工匹配難度增加。而壓電技術製造的MEMS麥克風因採用單層膜結構，且不需要高壓偏置或增益調整，並且採用的ASIC結構簡單，單顆尺寸更小，則彌補了電容式MEMS麥克風的不足。
壓電MEMS麥克風，包括矽襯底和多個懸臂梁，每個梁一端由襯底支撐，以使得每個梁是懸臂式的並在固定端和自由端之間延伸。每個懸臂梁包括電極材料的沉積層和覆蓋電極材料的壓電材料的沉積層。傳感器具有至少三層，包括第一電極層、沉積在第一電極層之上的壓電材料中間層、以及沉積在壓電材料之上的第二電極層。
此項技術的難點是壓電材料氮化鋁膜質質量控制，由於其低溫沉積技術，因為成為一種廣泛使用post-CMOS compatible（後CMOS兼容）材料。雖然難度很大，但正在逐步實現。
氮化鋁MEMS麥克風的工藝製作過程
Vesper的壓電式MEMS麥克風（3.35 x 2.5 mm）：壓電MEMS結構和定制的ASIC
超聲波傳感器
超聲波傳感器的探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。當電壓作用於壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形；相反，對壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產生一個電信號，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。
壓電晶片的直徑、厚度決定了傳感器的靈敏度、工作頻率和波長。一般來講，波長越長，頻率越小，檢測距離越大。因此用戶可以根據具體的應用場景挑選不同頻率段的超聲波傳感器。
超聲波傳感器感應範圍示例
中國在MEMS麥克風市場表現亮眼
據麥姆斯諮詢的市場報告顯示：近些年，中國MEMS麥克風供應商異軍突起，逐漸“蠶食”領頭羊樓氏電子的市場份額。2015年，樓氏電子的市場份額低於50%，僅為47%。中國瑞聲科技和歌爾股份的市場份額分別為13%和11%。緊隨其後的三位供應商分別為BSE（9%）、意法半導體（8%）、InvenSense（7%）。
2015年全球MEMS麥克風廠商的市場份額
另外值得一提的是國內新興MEMS麥克風廠商——敏芯微電子，其整合國內MEMS產業鏈，努力開拓國內MEMS麥克風市場，已申請和在申請專利累計已達70多項，擁有數項涉及MEMS關鍵技術的突破性發明和世界級科研成果，逐漸在全球MEMS麥克風廠商中嶄露頭角！
11月8日，在上海新國際博覽中心舉辦的『第二十屆“ 微言大義 ”研討會：超越人類的電子五官』，國內MEMS麥克風領先廠商歌爾股份和敏芯微電子將帶來精彩演講，演講題目分別是《從感知到交互——歌爾傳感器的佈局和發展》和《人體感知能力外延的基石——微型傳感器》。如果你想了解更詳細的信息，請登錄會議官網：www.MEMSeminar.com。
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