超越人类的“电子耳朵”——声学传感器
无处不在的“电子耳朵”
智能手机已成为每人不缺少的电子产品，当你用智能手机接听电话，声音则是通过听筒和话筒里的声学传感器（MEMS麦克风）来接收。在听力减弱的老年人和听力丧失人群中，助听器成为不可或缺的“助手”，而助听器信号链的前段则是MEMS麦克风。在可穿戴设备、语音控制车辆系统、智能家居、VR/AR游戏等需要音频定位、自动语音识别、自动说话人识别的新兴领域，MEMS麦克风充当为人机交互的“桥梁”的角色。
MEMS麦克风应用
在人工智能发展的红红火火的时代，首先要识别外界信息，接收外界声音信息，MEMS麦克风则如同人类的耳朵，获取声音信息。巨大的应用市场，让MEMS麦克风在中国MEMS产值市场的份额仅位于压力传感器之后，位列第二名。据Yole的数据，2014~2020年MEMS麦克风的复合年增长率为17.8%，产值预计将从2014年的7600万美元增至2020年的2.03亿美元。
2020年中国MEMS产值按照产品类型分布
麦克风的发展演变
驻极体麦克风（ECM）是最早发展起来的麦克风，工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。ECM已有50多年的历史，至今仍占据麦克风的主要市场。但其技术门槛低，尺寸大，性能不能满足日益发展的电子产品需求，势必将为MEMS麦克风所取代。
MEMS麦克风是由MEMS芯片、微集成转换电路（放大器）、声腔及RF抗噪电路组成。电容式MEMS麦克风利用电容大小的变化，将声音信号转化为电信号，采用硅晶圆制造工艺将麦克风小型化。其具有体积小，性能高等优势，自首次亮相以后，该市场持续飙升。几乎每部智能手机中都至少使用一个MEMS麦克风，一些高端智能手机甚至使用三个MEMS麦克风：一个用于语音采集，一个或两个用于噪音消除，一个用于改善语音识别。苹果热卖的iPhone 6S Plus使用的MEMS麦克风数量多达四个。
随着对高信噪比和高可靠性MEMS麦克风的追求，压电技术制造的MEMS麦克风阵列也成为热点。MEMS麦克风阵列采用多个MEMS麦克风，捕捉从不同方向传来的声音，通过算法运算使麦克风指向某一个特定方向，放大从该方向捕捉到的音频信号，同时衰减从其它方向捕捉的音频信号，整个动作就像一个智能麦克风。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。单层膜的设计架构，本身防污、防尘、防水能力就可提升不少，信噪比当然也会自然提升。该项技术的主要难点是如何保证压电薄膜氮化铝的工艺参数的稳定性。目前压电式MEMS麦克风已经成为各大厂商的积极布局的领域。
如果说MEMS麦克风是模仿人类听觉，那么超声波传感器则超越人类听觉。超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波传感器所接收声波范围远远超过人体耳朵的能力范围，可应用于入侵者警报装置、3D手势识别、测量与目标物体间的距离以及指纹识别等。
MEMS麦克风“面面观”
电容式MEMS麦克风
电容式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。
声波压力对麦克风电容的影响示意图
封装方式是声学构成的重要部分，是影响MEMS麦克风性能的主要因素。按封装方式分类可以分为：顶部进声和底部进声。前者进声孔位于麦克风的外壳顶部，与麦克风焊盘面相对；后者声孔位于麦克风底部基板，与焊盘同面。顶部进声，可以减少前腔，背腔体积增大，有利于提高灵敏度，降低信噪比。
常见的MEMS麦克风封装方式
电容式MEMS麦克风是当前消费电子市场的主流，但其随着时间的推移会出现性能漂移，无法满足高性能产品的要求。因此，业界巨头都在采用压电技术的MEMS麦克风阵列加大了研发投入。
采用压电技术的MEMS麦克风
MEMS麦克风阵列对每颗麦克风的灵敏度和相位的匹配有非常高的要求，其特性不能随时间漂移，且需抗污染能力强。如果采用电容式MEMS麦克风，离厂后会出现性能漂移，当麦克风数量增加时，手工匹配难度增加。而压电技术制造的MEMS麦克风因采用单层膜结构，且不需要高压偏置或增益调整，并且采用的ASIC结构简单，单颗尺寸更小，则弥补了电容式MEMS麦克风的不足。
压电MEMS麦克风，包括硅衬底和多个悬臂梁，每个梁一端由衬底支撑，以使得每个梁是悬臂式的并在固定端和自由端之间延伸。每个悬臂梁包括电极材料的沉积层和覆盖电极材料的压电材料的沉积层。传感器具有至少三层，包括第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在压电材料之上的第二电极层。
此项技术的难点是压电材料氮化铝膜质质量控制，由于其低温沉积技术，因为成为一种广泛使用post-CMOS compatible（后CMOS兼容）材料。虽然难度很大，但正在逐步实现。
氮化铝MEMS麦克风的工艺制作过程
Vesper的压电式MEMS麦克风（3.35 x 2.5 mm）：压电MEMS结构和定制的ASIC
超声波传感器
超声波传感器的探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形；相反，对压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
压电晶片的直径、厚度决定了传感器的灵敏度、工作频率和波长。一般来讲，波长越长，频率越小，检测距离越大。因此用户可以根据具体的应用场景挑选不同频率段的超声波传感器。
超声波传感器感应范围示例
中国在MEMS麦克风市场表现亮眼
据麦姆斯咨询的市场报告显示：近些年，中国MEMS麦克风供应商异军突起，逐渐“蚕食”领头羊楼氏电子的市场份额。2015年，楼氏电子的市场份额低于50%，仅为47%。中国瑞声科技和歌尔股份的市场份额分别为13%和11%。紧随其后的三位供应商分别为BSE（9%）、意法半导体（8%）、InvenSense（7%）。
2015年全球MEMS麦克风厂商的市场份额
另外值得一提的是国内新兴MEMS麦克风厂商——敏芯微电子，其整合国内MEMS产业链，努力开拓国内MEMS麦克风市场，已申请和在申请专利累计已达70多项，拥有数项涉及MEMS关键技术的突破性发明和世界级科研成果，逐渐在全球MEMS麦克风厂商中崭露头角！
11月8日，在上海新国际博览中心举办的『第二十届“微言大义”研讨会：超越人类的电子五官』，国内MEMS麦克风领先厂商歌尔股份和敏芯微电子将带来精彩演讲，演讲题目分别是《从感知到交互——歌尔传感器的布局和发展》和《人体感知能力外延的基石——微型传感器》。如果你想了解更详细的信息，请登录会议官网：www.MEMSeminar.com 。
相关报告：
《MEMS麦克风：市场、应用和商业趋势》
推荐会议：第二十届“微言大义”研讨会：超越人类的电子五官
