MEMS麦克风新浪潮——Vesper压电MEMS麦克风
微访谈：Vesper首席执行官Matt Crowley和首席技术官Bobby Littrell
消费类市场带来的巨大市场机遇，使麦克风产业比过去任何时候都更加重要。Yole Développement（以下简称YD）有幸采访了Vesper首席执行官Matt Crowley和首席技术官Bobby Littrell，Vesper是首家提供经过市场检验的压电MEMS麦克风公司，其产品广泛应用于智能手机等其它互联设备。YD在其最新的产业报告《应用于手机和平板电脑的传感器-2016版》中，预测压电MEMS麦克风技术将在未来几年获得稳定发展，尤其是在智能手机领域。
事实上，Vesper的压电MEMS麦克风产品是唯一能够经受水、尘和颗粒物污染的MEMS麦克风，它们能够为智能手机、可穿戴、物联网设备以及互联网汽车等几乎所有的应用，提供极高的性能和丰富的声学体验。参考Knowmade 和System Plus在它们的报告《MEMS麦克风技术和专利侵权风险分析》中的分析，现在的MEMS麦克风产品共用了许多相似的技术（意味着各厂商间，存在显著的专利争议），Vesper则带来了具备新性能特性的新型MEMS麦克风设计。
我们采访了Matt Crowley 和 Bobby Littrell，请他们分析了Vesper的技术，并探讨了这些技术将如何改变未来的MEMS麦克风应用和市场。
2013~2021年，手机和平板电脑中的MEMS麦克风由电容式向压电式转变的趋势
YD：请为我们介绍一下Vesper及其现在的运营情况。
Matt Crowley（以下简称MC）：Vesper是一家于2010年从密西根大学独立出来的初创公司，其总部位于美国波士顿，专长于压电MEMS麦克风技术。我们的市场策略是尽快地使产品进入市场。我们的首款产品VM1000，用了约两年时间进入市场。这对于一种全新的MEMS麦克风技术来说，这已经非常快了。这款VM1000产品，我们正处于小批量量产中，上个月，我们为客户发出了首批10万颗MEMS麦克风，大部分发往中国和中国台湾。现在，我们也为一些亚洲公司提供我们的技术，它们将我们的MEMS麦克风设计进入耳塞式耳机、无需手持的蓝牙系统以及防水相机等应用中。今年，我们计划发布新款VM2000 MEMS麦克风，一款差分输出器件，它具有更好的RF抗干扰能力和较高的声学过载点。我们正处于从研发型企业向生产型企业转型的快速发展阶段。
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据麦姆斯咨询报道，中国电声产品领先供应商山东潍坊新港电子有限公司近日宣布，与先进声学传感技术设计商Vesper公司建立合作关系，共同推进智能手机、可穿戴设备和物联网器件应用的压电式MEMS麦克风的商业化。
YD：压电MEMS麦克风相对电容技术有哪些优势？
Bobby Littrell（以下简称BL）：压电技术的主要优势是对于各种环境的坚固耐久性。相比电容技术，随着时间的性能降低将不再是问题，因为压电MEMS麦克风没有对微尘敏感的微型电容间隙。在电容式MEMS麦克风中，如果在振膜和背板之间有了颗粒物污染，将会改变电容麦克风的性能。事实上，自2009年开始，我们就将一颗压电MEMS麦克风暴露于环境中进行测试，至今，它还能保持与当时制造时一致的灵敏度。压电MEMS麦克风的另一个优势是更好的信噪比。目前，我们的组件与已经商业化的电容式MEMS麦克风在性能上不相上下。因为我们没有电容式麦克风所具有的主要设计限制，因此，我们相信接下来我们能够相比电容技术获得更好的信噪比。我们已经找到了我们需要改善的因素，并制造出信噪比达到68dB的原型样品，我们相信通过已知的方法，可以获得超过75dB的信噪比，理论上甚至可以超过80dB。
YD：信噪比对于高级语音控制系统有多重要？
MC：客户告诉我们，麦克风的信噪比仍是他们系统的瓶颈。目前使用的算法非常复杂，如果我们能够提供更好的数据，这些算法将会变得更加有效。客户告诉我们，麦克风需要达到90dB的信噪比，在达到该信噪比之前都不会再有更多的利润可言。所以，我们还有很长的路要走。为了达到这个目标，应美盛（InvenSense）开发了一款电容式麦克风，其信噪比达到了70dB，是目前市场上信噪比最高的产品。但是，该麦克风的封装尺寸非常大，它使用了4个MEMS振膜。我们在讨论压电MEMS麦克风的信噪比时，我们讨论的是基于一个振膜的麦克风。它们利用4个振膜才能达到70dB的信噪比，说明这可能已经是电容技术的极限了。
YD：压电MEMS麦克风还可以用于哪些新应用？
BL：我们相信在未来的十年内，语音交互将成为消费者家居内互联网和器件的主要交互接口。为此，需要利用MEMS麦克风阵列，在70%到大于95%的环境噪音中实现精准的语音识别。压电MEMS麦克风可用于室内、户外、烟雾缭绕的厨房等所有环境，这对于大型语音控制及监控MEMS麦克风阵列来说是非常关键的特性，因为在这样的环境中，MEMS麦克风阵列的可靠性将会是主要问题。此外，电容式麦克风系统需要持续的监听类似“Alexa”或“Siri”等关键词，而压电式麦克风则没有电荷泵，具有非常短的启动时间。因此，在压电式MEMS麦克风处于“永久监听”（always listening）模式时，它们的工作循环周期非常快，能够降低90%的系统能耗。我们近期还发布了一款名为VM1010的新款麦克风，它能够利用压电元件自身产生的能源启动麦克风。这款麦克风将成为全球首款静态传感MEMS器件。未来，人们将希望在器件中应用更多的MEMS传感器，而极低的功耗将成为其必要条件。利用我们的新款静态传感麦克风，实现唤醒和监听声音功能时，仅需要消耗3µA的电能。这比电池自然放电的能耗还要低很多。而一旦我们实现了无功耗语音传感，那将打开许多新的应用之门。由此，我们可以实现远程语音控制、电池供电的音控智能扬声器、音控车库门开启、喷淋器、烟雾探测器、恒温调节器等所有家居无功耗应用。
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据麦姆斯咨询报道，全球领先的声学传感器开发商Vesper公司，近日推出了首款商用静态传感MEMS器件，或有可能使声学事件监测器件实现几乎零功耗。当处于监听模式时，Vesper最新的压电式MEMS麦克风VM1010所需功耗仅为3 µA，这将显著促进语音与声学事件监测。
YD：你们对于智能手机和物联网市场的市场战略如何？
MC：我们对于智能手机和物联网的市场战略是一致的，就是和一些如AAC（瑞声科技）等大型半导体和封装企业合作，它们目前都是智能手机厂商的供应商。这些公司有许多支持需求，因而会和大型封装企业建立合作。我们希望利用瑞声科技及其它封装合作伙伴来解决销售和分销问题，而我们将更多的专注于公共关系和市场拓展，让更多的客户试用我们的产品，令他们感兴趣并产生需求。我相信短期内，智能手机市场将会是MEMS麦克风需求量最大的市场，尤其当智能手机开始从每部安装4颗MEMS麦克风，发展到使用6颗甚至10颗MEMS麦克风时，该市场对MEMS麦克风的需求量将会显著上升。我们还从智能手机厂商获悉，它们正考虑开发降噪耳机，每个降噪耳机将需要5颗高品质MEMS麦克风。对于智能手机的视频录制功能，其画面质量已经很棒了，但是音频质量还很欠缺，所以我们相信终端用户对高质量音频录制有明显的需求，对于精准语音识别同样也有需求，而这些都需要使用MEMS麦克风阵列来解决。我认为物联网也是一个巨大的潜在MEMS麦克风应用市场，因为所有的物联网器件都将应用麦克风阵列。例如亚马逊的Echo和Dot应用，亚马逊的愿景是在我们房屋的每个房间都安装麦克风阵列。这将是一个巨大的潜在市场。
据麦姆斯咨询报道，苏州敏芯微电子技术有限公司研发的低功耗的多模式（Multi-Mode）数字I2S输出MEMS麦克风芯片，内置完整的24位I2S音频接口，无须额外添加Codec，可直接与DSP或MCU实现全数字化信号连接。可帮助音频系统设计师显著降低信号链设计复杂度并降低系统整体成本。在系统体积、成本、功耗和抗干扰性方面都具有极大的优势。
YD：所以，你们已经和瑞声科技建立了合作，您能介绍一下你们之间的合作关系吗？
MC：瑞声科技是全球最大的MEMS麦克风供应商之一，并在2014年投资了我们公司，是我们非常好的合作伙伴。我们销售MEMS和ASIC晶圆，瑞声科技和我们合作将差异化的产品推向市场。瑞声科技和Vesper实现了完美的互补，Vesper擅长创新的设计和市场运作，而瑞声科技在规模量产、封装和测试领域非常专业。瑞声科技在质量、客户销售和支持方面也具有丰富的资源。我们和瑞声科技之间的合作并非排他性的合作关系，尽管瑞声科技是我们最大的合作伙伴，我们还和其它一些公司建立了合作，如规模略小的亚洲封装企业。
YD：贵司如何避免目前MEMS市场量大价低的商业化悖论？很多其它MEMS传感器都处于这样的悖论漩涡之中。
MC：如果有三家公司能够制造一种物品，那这种物品就会成为商品，除非客户并不认为该物品有价值。如果我们纵观所有MEMS传感器，MEMS麦克风在商业化悖论中的表现，似乎相比其它传感器要好。
人类感知外部世界的途径
MEMS麦克风产业总能不断地提高新产品的性能，同时维持合理的价格，与此同时，老产品将逐渐失去其市场价值。此外，每部智能手机集成的MEMS麦克风数量也在逐渐增加。对于惯性传感器、振荡器和压力传感器，每部手机的集成数量实际上在逐步减少，或者都集成到一个组合传感器中。因为智能手机市场要求每部手机集成多个MEMS麦克风，所以我们认为智能手机中MEMS麦克风的商业模式应该和FBAR（薄膜体声谐振器）RF滤波器的商业模式很相似。手机中FBAR RF滤波器的集成数量逐渐增加，FBAR制造商能够使其产品保持不错的价格和差异性，并且，能够提供FBAR RF滤波器的供应商也确实不多。同样的，压电MEMS麦克风因其独一无二的特性（如零功耗唤醒功能），以及我们强大的专利布局，使得我们成为目前唯一能够供应这种产品的供应商。我们还计划尽快提高产品的信噪比，使其达到其它供应商无法企及的高度。未来，我们甚至可以利用压电技术某些独一无二的特性来制造智能麦克风。例如，利用其静态传感能力，可以将我们的麦克风产品嵌入到智能门中，因为我们的麦克风产品功耗很低，可以数年才更换一次电池。然后，将我们的压电MEMS麦克风结合相应的语音验证算法，利用许多很酷的软件，就可以实现非常安全的门禁密码系统，这将是非常棒的解决方案。当然，这必须利用压电MEMS元件才能够实现。因为我们还是个小型公司，所以我们目前还没有涉足软件开发。我们需要更专注，但这些发展方向是我们未来避免MEMS商业化悖论的有效途径。
麦克风产业会走图像传感器产业的老路吗？
YD：你们的压电MEMS麦克风在大规模量产时面临什么挑战？
BL：幸运地是，我们目前在高品质薄膜沉积方面还没有遇到太多的问题，尤其是对于我们想要获得的薄膜厚度。随着进一步发展，我们将在压电薄膜中尝试掺杂等技术手段，以获得更高的耦合系数来提高产品性能，并在降低薄膜厚度的同时保持薄膜的高品质。
MC：目前，大多数人还不是很了解的一个重要问题是，压电MEMS 技术也按照一种摩尔定律发展，即如果将压电薄膜的厚度减半，其产品尺寸也将减半。我们认为在相当长的一段时间内，一旦压电技术开始起飞，而产业发展相对落后，人们将看到市场对压电传感器需求的上升及其技术的飞速发展，这和过去数十年电子产业的发展很相似，我们将看到产业的良性循环，即设备供应商投资更多的资金用于生产制造，获取收益，然后它们可以制造更好的器件。
YD：你们和GlobalFoundries（格罗方德）合作生产你们的压电MEMS麦克风，为什么你们会选择这家代工厂合作？
MC：我之前工作过的公司曾经和GlobalFoundries合作过，所以我们和GlobalFoundries关系不错，当然这只是一部分原因，更重要的原因是它们对压电MEMS工艺经验丰富。GlobalFoundries还是全球第二大的代工厂，因此它们的财务和运营能力，能够支撑非常大规模的应用需求。如果我们的市场目标是大规模智能手机应用，我们作为一家小公司，拥有全球第二大的纯代工厂作为供应商，来保证可靠的产品供应，将对增强客户信心有很大帮助。
YD：您是否认为MEMS创新的领导者已经从美国转向了中国？
MC：我不这么认为，我仍然认为许多核心MEMS研究还是在美国。不过，中国在新技术应用和商业化方面，速度更快。因为中国市场是一个非常有竞争力且多样化的市场，所以它们更愿意承担风险来应用新技术。作为全球最大的市场之一，中国有许多不同的市场机遇，我们可以接触很多的人，我们和中国公司的合作很成功也很愉快。我认为在未来，我们将看到越来越多来自中国的创新技术，尤其是在MEMS和半导体领域。我们也看到中国政府在支持中国企业收购美国或欧洲MEMS和半导体专业公司的努力和帮助。但是，我不认为该领域的创新，已经全部转移到了中国。我更觉得中国、美国、欧洲和日本等其它国家，已经逐渐成为一个技术市场。
YD：Vesper未来几个月及更长远的未来将如何发展？
MC：我们正在加紧生产，尽快使出货量达到1百万颗，同时签下更多的客户。我们的业务蒸蒸日上。我们希望不断推进压电MEMS技术向前发展，继续重金投入技术开发，不断发布新产品，并尽快地将后续产品推向市场，市场化速度甚至比我们创纪录的VM1000还要更快。长远来看，我们还将扩展开发其它MEMS器件，潜在的发展方向如开放腔体传感器节点，或智能手机等领域应用的暴露于环境中的传感器节点。我们相信利用压电技术可以整合许多专注于环境感知的传感器，例如集成到一颗芯片上的超声器件、麦克风、压力传感器和化学传感器。
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