语音交互火热，压电MEMS麦克风独苗能否乘势而起？
2019-09-30 07:51:06   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，智慧物联时代，麦克风几乎已经无处不在，并且正以惊人的速度增长。得益于智能手机、物联网、可穿戴设备、助听器、虚拟现实/增强现实（VR/AR）设备以及其他消费类电子产品的旺盛需求，麦克风的激增已成为必然趋势。这些麦克风需要持续监听，以随时准备开启，因此即使大多数时间它们都处于“空闲”状态，但是还是需要消耗大量的电能。这正是压电MEMS麦克风供应商Vesper Technologies抓住的市场机遇。

Vesper的零功耗监听（ZeroPower Listening, ZPL）技术利用了压电效应，该效应由法国物理学家Paul-Jacques和Pierre Curie首次发现，利用压电效应可以使声学换能器作为一种声开关运行。当声波传播到压电悬臂时，会引起悬臂振动。该运动通过压电效应产生电压。然后由极低功耗的比较电路检测到这个电压，并将该唤醒信号发送至系统的其它组件。

氮化铝（AlN）压电材料应用之MEMS麦克风

资料来源：《压电器件：从块体型到薄膜型-2019版》

Vesper于2017年首次推出零功耗监听（ZPL）技术。两年后，Vesper首席执行官Matt Crowley声称：“Vesper的ZPL技术已被三星（Samsung）、亚马逊（Amazon）和Bose等大客户采用，并将逐步成为主流。”在起初没有预想到或计划内的多种因素的共同作用下，Vesper达成了一项重要里程碑。

增长中的整体市场

目前，苹果（Apple）公司的iPhone使用了四颗MEMS麦克风，亚马逊的Echo则使用了七颗MEMS麦克风。在这些行业巨头的引领下，MEMS麦克风市场的强劲增长也就不足为奇了。Yole近期发布的《MEMS产业现状-2019版》报告称，2018年MEMS麦克风市场（包括消费类、汽车、工业和国防应用）总规模约为11亿美元，预计到2024年将以5%的年增长率增长到15亿美元。

压电MEMS产品的面市时间及未来预测

资料来源：《MEMS产业现状-2019版》

“压电技术是一个即将兴起的新趋势。”Yole光子学、成像、MEMS和传感器技术与市场分析师Dimitrios Damianos表示，“薄膜压电器件市场在2018年超过26亿美元，预计到2024年将增长到60亿美元。这包括所有类型的压电MEMS器件，例如陀螺仪、喷墨打印头、麦克风和BAW滤波器。”

谈及MEMS麦克风，Damianos说：“由于具有防水、防尘和超低功耗的特性，压电MEMS麦克风正在颠覆传统的电容式MEMS麦克风。”

Damianos说：“总而言之，压电技术正在蓬勃发展，压电MEMS技术将重振MEMS市场，并将进一步扩展到其它器件，例如微型扬声器、压电MEMS超声换能器、自动对焦执行器等。”

纵观全球MEMS麦克风市场，楼氏电子（Knowles）和歌尔股份（Goertek）“已将竞争对手甩在身后，处于两强相争的状态。”至于压电MEMS麦克风，Vesper则处于行业领先地位，并且至今仍然是唯一供应商。

耐久性至关重要

根据IHS Markit的研究数据，到2023年，全球智能家居市场预计将增长近五倍，达到1920亿美元。随着这些“永久在线”监听设备的不断渗透，随之而来的是不断增加的功耗，意味着增加碳排放的不利影响。据Vesper称：“一款典型的智能音箱在待机时的功耗约为2.9瓦，与启动模式下的能耗（约为3瓦）很接近。在配备了智能遥控器、扬声器、智能家庭助手和电视等数十种设备的智能家居中，这意味着每年会增加大约262 kWh的用电量，家庭平均能源使用量增长了7.5%。”

这正是Vesper的用武之地

采用传统麦克风的智能设备需要恒定电流才能保持监听模式，这需要持续地消耗电能。相比之下，Vesper称，其压电MEMS麦克风可以使电池供电型设备在不耗废电量的情况下，保持声音唤醒（wake-on-sound）状态。这有效降低了系统功耗，并且，设备耐久性也得到了改善。

Damianos说：“Vesper的ZPL技术提供了压电效应所固有的独特低功耗。它是需要‘永久在线’监听消费类应用的理想选择。对于这些应用，电池续航至关重要，并且还可以大大延长电池寿命。”

Vesper首席执行官Crowley举例说：“使用传统麦克风技术的语音激活电视遥控器可以续航约4周。如果采用Vesper的压电MEMS麦克风技术，则可以持续使用6个月以上。如果用户看电视频次没那么高，则最长可达12个月。”与其它监听系统相比，Vesper的ZPL技术可以将麦克风系统的电池寿命延长5到20倍。

Crowley表示：“即使是第一代插电式智能设备，它们也会消耗大量电能。亚马逊等大公司已经认识到，所有这些智能语音交互产品如果在待机时都一样在消耗电能是不可持续的，必须进行改进。”电池供电型产品推动了ZPL技术的第一波应用，许多其它设备也可以使用该技术，以改善家庭用电情况。

大规模制造，年出货量突破1000万颗

“技术再出色性能再卓越，也需要杀手级应用。”Damianos提出，“2003年，楼氏电子就属于这种情况，它通过将MEMS麦克风集成进入摩托罗拉经典的‘刀锋’系列手机而大获成功。”当时，楼氏电子通过减小麦克风的厚度和尺寸提供了杀手级应用特点。“此外，面向单一客户成功制造并出货百万量级产品的能力也至关重要。”

Crowley声称：“2019年是销量走高的第一年。我们的ZPL产品应用情况很好，三星、亚马逊和Bose等大厂皆有应用，出货量从2018年的不到100万颗增长到了今年的1000万颗。根据预期的制造需求，Vesper与一级制造商格芯（GlobalFoundries）、台积电（TSMC）以及封测服务提供商Unisem建立了合作。”

ZPL技术并不是Vesper可以提供的唯一麦克风技术。如今，有超过一半的客户在应用它，并且，还有很多应用在等着Vesper开拓。Crowley说：“我们将继续向市场推介这项技术并解释其优势。去年，我们证明了这项技术可以大规模量产，这对于MEMS来说一直个挑战。明年，我们将通过改进的产品进一步扩展我们的产品线。”

就在今年7月，Vesper推出了首款数字压电MEMS麦克风VM3000。Damianos说：“这款产品或可用于大型麦克风阵列，以进行3D声音捕捉。基于语音的交互变得越来越流行，Vesper将渗透进入智能电视、遥控器和智能音箱市场。”

VM3000在1 kHz信号下可以达到63 dB的典型信噪比（SNR），并能提供122 dB声压级（SPL）的声学过载点（AOP）。“在传统的电容麦克风中，用于防水/防尘的保护网会使其SNR降低3到5 dB，甚至更多，具体取决于保护网的厚度。因此，对于需要鲁棒性的应用，例如恶劣的使用环境，VM3000将是一个绝佳的选择。”

Crowley说，今年晚些时候，Vesper将出样另外两款ZPL产品，其中包括一款VM3000的版本。

长期愿景和发展计划

Crowley表示：“我们的长期愿景包括三点。”

首先，并不意外，这家总部位于波士顿的公司的长期目标是成为MEMS麦克风传感器领域的No. 1。通过利用其核心MEMS技术，提高SNR并缩小产品尺寸，有可能实现这一目标。

其次，Vesper计划以相同的制造工艺制造其他类型的传感器，以及将麦克风与加速度计和温度传感器相整合。整合麦克风的多传感器芯片将很快到来。Vesper的目标是将自己从一家MEMS麦克风开发商，迅速转型为单芯片上组合传感器的供应商。

第三，Vesper希望提高传感器的智能性。Crowley表示：“我们希望利用零功耗（ZeroPower）功能处理更多的信号，以执行更智能的功能，例如识别特定的关键字，以使系统从特定的关键字而不是从其他声音被唤醒。”

目前，压电MEMS麦克风的设计仅对300 Hz到6 kHz之间的声音（包括人声范围）有响应。因为它们不需要偏置电压，因此可以在50 us内启动，不会错过关键字。相比之下，电容式MEMS麦克风的启动时间大约要长1000倍，因为电容式麦克风需要一些时间才能将其MEMS充电至高偏置电压。

Vesper相信，将来，我们会在传感器中嵌入匹配的人工智能。它将能够学习人类和动物的感知方式，不仅限于视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉，还包括运动或温度，以全面感知周围的环境。

Vesper的长期愿景是使物体能够利用多种类型的受生物启发的传感器，来了解其周围环境，并尽可能做出最佳的响应。

目前Vesper拥有40多名员工，为了支持公司的发展，公司正在扩大其工程和销售团队。Vesper目前在中国大陆、韩国和新加坡设有办事处，并计划在未来几个月内在中国台湾开设新的办公室。预计到2020年，它将在韩国、日本和欧洲等其他地区扩大经营。Vesper的压电MEMS麦克风设计架构“如此新颖且与众不同，市场还需要一些时间来了解其优势。现在，大公司已经开始应用，用户体验很好。现在，Vesper是时候大展拳脚了！”

延伸阅读：

《MEMS产业现状-2019版》

《压电器件：从块体型到薄膜型-2019版》

《Vesper压电式MEMS麦克风：VM1000》