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新年伊始,我国电子元件业传来好消息,信噪比高达70dB的MEMS麦克风首次实现全国产化,这一重大技术突破是由全球领先的精密制造企业瑞声科技实现的。瑞声科技独立完成设计、测试、封装,中芯国际进行流片,首次打破国外技术垄断,在振膜设计、功耗等方面实现多个突破性创新,其成本只有英飞凌同类产品的一半,极具市场竞争力,前景十分广阔。
打破国际垄断 填补国产空白
语音是5G时代人机交互的重要入口,正在快速改变人们的生活,MEMS麦克风作为语音入口的核心元器件,具备尺寸小、功耗低、性能优、一致性高、成本低的优点。具有高信噪比特性的MEMS麦克风,在智能手机、TWS耳机、AR/VR、智能音箱、智能眼镜等领域的应用越来越广泛,以至于业界把MEMS麦克风形容为电子产品的“听觉细胞”。特别是刚刚过去的2019年,随着TWS蓝牙耳机的大热,MEMS麦克风已成为推动声学器件增长的新引擎。
但在高信噪比麦克风领域,长期以来只有英飞凌等少数几个国际“玩家”垄断全球市场,中国企业在核心技术方面一直未能取得有效突破。瑞声科技作为全球MEMS麦克风领域的主要供应商之一,积累了十多年研发与制造经验,尤其是2018年以来逐步开始实现MEMS芯片自主研发。此次通过核心技术攻关,成功实现量产70dB高信噪比MEMS麦克风,完全独立完成全部产品的设计、测试、封装,填补了国内公司在该领域的空白,还与已量产的63dB、66dB的具有自主知识产权的MEMS麦克风产品,构成了丰富强劲的产品矩阵,实现了广泛的应用覆盖。
实现多个创新 性能更优成本更低
语音传感器信噪比的高低对终端产品声音信号拾取效率和语音识别准确率有着重要影响。信噪比高达70dB的MEMS麦克风比较传统MEMS麦克风优化了6dB,这样的功能强化等同于让使用者可以从两倍远的距离发出语音指令,而麦克风截取到同质的音讯。
对于精准语音识别和高效主动降噪系统而言,70dB高信噪比的MEMS麦克风可以为整机系统提供高品质的声音信号输入,不仅可以为噪音消除算法提供更高质量的声音信号,极大降低环境及本底噪音,还有助于整机系统分析MEMS麦克风采集的声音信号,并找出其中可识别的内容特征。
而瑞声科技研发的70dB高信噪比MEMS麦克风,在关键性能方面已经达到甚至超过国际领先企业产品,具备极强的市场竞争力,具有以下三方面的优势:
1、独创振膜夹缝设计,破膜率降低一半,终端产品更耐用。MEMS麦克风是利用声音变化产生压力梯度,使MEMS麦克风上的硅基振膜受到声压推动产生形变,从而改变硅振膜与背极板之间的电容值。该电容值的变化由电容电压转换电路转换为电压值输出的变化,再经过放大电路将MEMS传感器产生得到的电压放大输出,将声压信号转换成电压信号,实现“声-电”转换。从这个角度可以看出,振膜作为MEMS麦克风上的最重要部件、实现MEMS麦克风功能的源头,是提高MEMS麦克风可靠性的关键所在。
目前市面上大部分的MEMS麦克风的振膜采用周边完全固定的设计,该结构设计会导致当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,会导致振膜上下产生巨大的压差,形成吹气效应使振膜发生变形,当振膜变形产生的内应力超过临界值时,会导致振膜破裂,从而使MEMS麦克风功能失效。
为提升MEMS麦克风产品的结构强度,提高产品的可靠性,瑞声科技应用独家专利设计,开创性的在振膜四周设计了可活动的狭缝结构,当大声压、大气流冲击振膜时,会将冲击振膜正面的压力或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,进而提升了振膜抗大压力、抗大气流瞬时高压冲击的能力,使得MEMS麦克风破膜率大幅降低至一半左右,使电子设备的音频系统在极端声场环境下更加稳定可靠。
2、功耗降低三分之一,更能满足用户对终端产品续航的要求。终端产品的续航能力永远是提升产品用户使用体验的痛点和难点,在终端产品功能越来越丰富、集成元器件越来越多、电池技术未取得革命性突破的情况下,为了提高终端产品的续航能力,降低能耗必须向元器件自身挖掘。瑞声科技自研的70dB高信噪比MEMS麦克风,通过优化电路设计,可以做到在相同的尺寸的情况下,声学性能达到甚至超过国际同类产品的水平,而且在相同的工作模式下,功耗最高可降低三分之一,对功耗要求严苛的TWS、智能手表等可穿戴设备的续航表现的提升构成重要支撑。
3、拥有全部自主知识产权,成本仅为英飞凌同类MEMS麦克风产品的一半。
在提高国产率,使用国产替代进口的大趋势下。瑞声科技通过自主创新研发,建立了完善的技术理论体系,积累了丰富的产业化经验,搭建了完全自主的芯片仿真模型和数据库,从MEMS芯片到ASIC芯片(专用集成电路,为特定用户或特定电子系统制作的集成电路),再到封装设计实现了自主知识产权,MEMS晶圆通过中芯国际制造也全部实现国产化,占据了技术的主导权和市场的主动权。正是得益于自主创新研发,其70dB高信噪比MEMS麦克风成本大大降低。
根据业界知名的调研公司Yole公司预测,随着5G时代提前到来,AIoT(人工智能+物联网)设备的大爆发以及创新的人工智能语音应用的不断涌现,将推动MEMS麦克风整体市场的持续扩张,未来5年将实现11%的复合增长率,预计在2022年全球MEMS麦克风的出货量将超过80亿颗,到2024年MEMS麦克风的市场规模将达到16亿美元。瑞声科技凭借极具市场竞争力的产品,未来将成为全球高信噪比MEMS麦克风领域新的领头羊。
2020年01月22日 于上海
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