MEMS麥克風的案例
案例53-MEMS麥克風的聲學分析
該示例問題演示了如何分析硅微加工麥克風的響應
使用聲學單元和靜電結構耦合場單元。
重點介紹了以下特性和功能：
• 三維聲學單元
• 聲學單元變形
• 三維靜電結構單元
• 線性擾動
介紹
大多數數字設備，如手機和平板電腦，都包括一個甚至幾個麥克風。微機電系統（MEMS）技術由于其微型尺寸（毫米），對于設計這些產品非常有用。
MEMS麥克風遵循電容原理。它由兩個硅基電極組成，由一個薄氣隙隔開；一個電極是剛性的（稱為背板），另一個是在聲壓下偏轉的膜。氣隙充當電極之間的介電材料，電容隨電極之間的距離而變化。
本示例說明了如何分析電容式MEMS麥克風的響應。
問題描述
下圖顯示了MEMS麥克風的幾何結構：
麥克風由一個聲音端口組成，壓力波從該端口進入并到達膜。硅移動膜的直徑為0.6 mm，厚度為0.5μm，并且包含允許麥克風兩側壓力通風的孔。這個膜與剛性背板之間的氣隙為2.2μm（尺寸取自Czarny）。背板包含穿孔，這些穿孔在膜兩側和殼體空腔上的壓力分布中發揮作用，這也是聲學設計的一部分。
建模
結構的三維模型在ANSYS DesignModeler中創建，并用實體單元劃分網格。
結構體使用SOLID185單元。聲學空腔（聲端口、氣隙和殼體空腔）用FLUID30單元建模。氣隙用使用彈性空氣選項（KEYOPT（4）＝1）的SOLID226靜電結構單元（KEYOPT（1）＝1001）的一個單元層劃分網格。
材料和接觸屬性
結構材料屬性如下：
聲學材料屬性如下：
1. 根據低減縮頻率（LRF）近似，對于特定結構，考慮了粘性流體中的聲壓波與剛性壁之間的相互作用。
展開 科普 | 現代傳感器，是怎樣模擬人類5感的？
這些是系統能夠獲得用戶青睞的基礎，比如前文提到的警報系統，其覆蓋范圍有多廣，以及麥克風信噪比表現如何，都是影響這套警報系統具體實現的基礎。這里我們選擇英飛凌一些比較有代表性的傳感器談一談。
1.MEMS麥克風
在更早期的市場上，英飛凌主要為Goertek、AAC Technologies這樣的企業提供MEMS麥克風裸die，不過如今英飛凌自己開始涉足完整的MEMS麥克風產品，以高信噪比密封雙薄膜MEMS麥克風(high SNR sealed dual-membrane MEMS microphone)的形態存在，這可能與這部分市場的高速增長有關。
從統計機構的數據來看，英飛凌MEMS麥克風die的市場份額變化情況如上圖所示，目前其整體市場份額在37%左右。其應用場景涵蓋了語音識別、音頻錄制、語音通訊、主動降噪等。以TWS耳機如今的火熱便不難想見，MEMS麥克風市場有多火。這類產品在手機、平板、筆記本、可穿戴設備、智能家居中的廣泛應用自不必多說。
我們在英飛凌的一則宣傳視頻中看到，其MEMS麥克風應用場景，除了正常音量向智能音箱發出“播放音樂”這樣的指令;當屋內有人在睡覺，那么以很輕的耳語發出指令“關燈”，一樣可以讓智能家居做出響應。英飛凌在描述中提到，在小聲說話場景下，其“命中率”高出至多40%;另外遠距離識別場景，命中率高出至多25%——比如從廚房向起居室中的智能音箱發出指令。
展開 讀懂十大國產MEMS廠商技術路線
在3月初舉辦的2023年中國MEMS制造大會（China MEMS 2023）上，公布了“2021中國MEMS十強企業”名單。該名單由中國半導體行業協會根據行業季度統計報表及各地方協會統計數據評選出。
今天我們就借用智慧芽研發情報庫，從技術研發的角度分析下這十家中國MEMS頭部企業各自的技術發展路線。（文章內企業排名不分先后）
一、歌爾微電子股份有限公司
歌爾微電子成立于2017年，前身為歌爾股份有限公司微電子事業群，2021年變更為歌爾微電子股份有限公司。該公司是一家以MEMS器件及微系統模組研發、生產與銷售為主的半導體公司，業務涵蓋芯片設計、產品開發、封裝測試和系統應用等產業鏈關鍵環節，可為客戶提供“芯片+器件+模組”的一站式產品解決方案。
從技術上看，歌爾微電子近幾年的技術主要布局于傳感器、麥克風、壓電陶瓷、聲能轉換等細分技術領域，致力于提高MEMS麥克風信噪比、改善MEMS麥克風聲學性能、實現MEMS麥克風定位功能等。
二、瑞聲聲學科技（深圳）有限公司
瑞聲科技成立于1993年，在聲學、光學、觸感、傳感器及半導體、精密制造等領域擁有強大的綜合競爭力，致力于為智能設備提供領先的微型專有技術解決方案，在聲學、光學、觸覺反饋、精密制造、微機電、無線射頻和天線領域擁有材料研發、仿真、算法、設計、自動化以及工藝開發等尖端技術。
從技術上看，瑞聲科技近幾年的技術主要布局于電聲轉換、麥克風、發聲器件、揚聲器等細分技術領域，致力于提高麥克風靈敏度、提升發聲器件聲學性能、提高麥克風可靠性等。
三、河北美泰電子科技有限公司
美泰科技成立于2011年，隸屬于大型央企中國電科，致力于MEMS器件與系統的研發、生產和銷售。
展開 AEC-Q103認證解讀——華碧實驗室
汽車電子委員會（AEC）根據車載MEMS特性制定出最新標準AEC-Q103，由于之前MEMS微機電系統做車規認證一直是參照AEC-Q100，此次制定的標準無疑是為行業提供了更具針對性的要求，對于MEMS做車規級認證也更加合理。AECQ103的制定標準為車規傳感器行業提供了更具針對性的要求，完善并且提高了對于車載傳感器的測試標準。下圖是AECQ103驗證流程：
AEC-Q103 是針對汽車傳感器的應力測試標準。
產品范圍：MEMS壓力傳感器、MEMS麥克風、氧傳感器、溫度傳感器、空氣流量傳感器、爆震傳感器、速度傳感器、轉速傳感器、ABS傳感器、觸發碰撞傳感器、防護碰撞傳感器、轉矩傳感器、液壓傳感器等。
華碧實驗室以強大的技術研發團隊、先進的全套檢測設備和豐富的實戰經驗為客戶提供傳感器測試、評估、質量認證成套方案，提高傳感器使用可靠性，覆蓋電性能測試、老化試驗、環境試驗、機械應力測試等服務。
展開 
引入DSP的ADI車載信息娛樂主機解決方案
除此以外，ADI在MEMS類芯片領域擁有深厚積淀，其汽車級陀螺儀和加速度計現已量產，目前正在研究將MEMS麥克風用于汽車領域。
主信號鏈—信息娛樂主機
主信號鏈—信息娛樂主機：信號鏈代表主機設計。模塊的技術要求可變化
設計資源
SigmaStudio圖形開發工具。
它是專用于SigmaDSP和SHARC DSP的編程、開發和調試軟件。常見的音頻處理模塊可連接起來，編譯器產生可供DSP使用的代碼和用于設置、調整參數的控制界面。
SigmaStudio標準算法包括但不限于：
? FIR/IIR濾波器、分頻器、隔直
? 峰值檢測器、RMS檢測器、電平檢測器、限幅器
? 動態低音、響度、立體聲采集
? 查找表、音量控制、靜音
? 混頻器、分路器、硬/軟削波
SigmaStudio插件算法包括但不限于：
? AM3D （power bass）
? Dolby （DAEP、耳機、虛擬揚聲器、prologic）
? BBE （MP、ViVA）
? SRS （circle sound、TruBass、TruSurroundXT、WOW、WOW HD）
? DTS （surround sensation）
? Embracing sound （TH4）
? ADI （環繞聲、虛擬、EAS、超低音）
Blackfin DSP集成開發環境：VisualDSP++
展開 我國傳感器芯片市場國有化率不足10%
“目前中國車用MEMS產業已經成為整個MEMS傳感器產業增長速度最快的領域”，王曦指出，2016年，中國應用汽車領域的智能傳感器市場規模達到48億美元，2016年-2019年期間，預計汽車智能傳感器市場復合年增長率6.5%，到2020年，市場規模將達到93億美元。
現有汽車傳感器經過數十年發展，已經呈現寡頭壟斷局面。王曦表示，“汽車MEMS市場為例，第一名Bosch(博世)的市場份額高達30%，前十名廠商的市場份額合計約90%，市場高度集中，幾乎沒有中國的份額。同時，由于汽車電子供應鏈認證周期長，行業壁壘搞，造成產業鏈格局穩定，進入難度極高，建議中國新進廠商關注新興領域。”
不只是汽車傳感器，王曦表示，我國智能手機領域的傳感器也幾乎全部采用國外產品，比如華為P9智能手機共采用9顆傳感器，僅MEMS麥克風采用歌爾產品，小米MI5共采用8顆傳感器，全部為國外產品。
王曦介紹，我國傳感器芯片市場國有化率不足10%，進口依賴問題較集成電路整體情況更為嚴重，國產芯片基本全部為低端產品，本土企業難以參與高端市場競爭。根據Yole數據，排名前三十的傳感器廠商中，中國僅有歌爾股份、瑞聲科技躋身其中。
此外，我國傳感器產品主要以仿造及二次開發為主，特別是在敏感元件核心技術及生產工藝方面與國外差距較大，“新品研制落后近十年，產業化水平落后10-15年。”
王曦還指出，“相對于集成電路產業來說，國內MEMS及傳感器企業小而散，產業獲得支持也較少，產業鏈尚不完整，缺少專業的研發和代工平臺，難以對產品開發與生產提供有力支撐。”
對此，王曦建議，應該著力建設MEMS及先進傳感器研發中試平臺，為產品早期研發提供硬件平臺保障，為產品技術中試提供有力支撐，解決量產前研發中試平臺難求的問題。
展開 我國傳感器芯片市場國有化率不足10%
“目前中國車用MEMS產業已經成為整個MEMS傳感器產業增長速度最快的領域”，王曦指出，2016年，中國應用汽車領域的智能傳感器市場規模達到48億美元，2016年-2019年期間，預計汽車智能傳感器市場復合年增長率6.5%，到2020年，市場規模將達到93億美元。
現有汽車傳感器經過數十年發展，已經呈現寡頭壟斷局面。王曦表示，“汽車MEMS市場為例，第一名Bosch(博世)的市場份額高達30%，前十名廠商的市場份額合計約90%，市場高度集中，幾乎沒有中國的份額。同時，由于汽車電子供應鏈認證周期長，行業壁壘搞，造成產業鏈格局穩定，進入難度極高，建議中國新進廠商關注新興領域。”
不只是汽車傳感器，王曦表示，我國智能手機領域的傳感器也幾乎全部采用國外產品，比如華為P9智能手機共采用9顆傳感器，僅MEMS麥克風采用歌爾產品，小米MI 5共采用8顆傳感器，全部為國外產品。
王曦介紹，我國傳感器芯片市場國有化率不足10%，進口依賴問題較集成電路整體情況更為嚴重，國產芯片基本全部為低端產品，本土企業難以參與高端市場競爭。根據Yole數據，排名前三十的傳感器廠商中，中國僅有歌爾股份、瑞聲科技躋身其中。
此外，我國傳感器產品主要以仿造及二次開發為主，特別是在敏感元件核心技術及生產工藝方面與國外差距較大，“新品研制落后近十年，產業化水平落后10-15年。”
王曦還指出，“相對于集成電路產業來說，國內MEMS及傳感器企業小而散，產業獲得支持也較少，產業鏈尚不完整，缺少專業的研發和代工平臺，難以對產品開發與生產提供有力支撐。”
對此，王曦建議，應該著力建設MEMS及先進傳感器研發中試平臺，為產品早期研發提供硬件平臺保障，為產品技術中試提供有力支撐，解決量產前研發中試平臺難求的問題。
展開 從P2S到數字化，英飛凌物聯網策略詳解
英飛凌的傳感器組合可以和人類的五官一樣，比如毫米波雷達和3D ToF攝像頭代表眼睛、MEMS麥克風代表耳朵、二氧化碳傳感器代表鼻子、壓力傳感器代表皮膚。
英飛凌擁有超過40年歷史的傳感器開發積累。過去 10 年來，其傳感器出貨量已超過200億組。英飛凌統一將傳感器產品命名為XENSIV，這也代表著英飛凌廣泛的產品組合。
英飛凌的各項傳感器技術都可圈可點。比如在車用毫米波雷達（24GHz 77GHz）市場，英飛凌市場份額為53.3%，遠高于競爭對手。而在硅MEMS麥克風市場，英飛凌也長期保持市場排名第一。
在產品創新方面，比如英飛凌最新推出基于高靈敏度 MEMS 麥克風的光聲光譜（PAS）原理的二氧化碳傳感器。作為系統級解決方案的典型代表，該產品充分結合了英飛凌的多項產品組合，將二氧化碳傳感器光聲（PAS）換能器（探測器、紅外光源和濾光片）集成在一塊PCB上，另外還有用于信號處理和算法的微控制器，以及用于驅動紅外光源的MOSFET芯片。集成微控制器運行ppm計算，以及高級補償和配置算法。英飛凌科技大中華區電源與傳感系統事業部高級市場總監廖明頌介紹道，該方案在尺寸和成本方面均優于一流的NDIR傳感器，比現有方案的尺寸縮小了4倍，重量減輕了3倍，可以給客戶節省75%以上的空間。同時，它所采用的SMD 封裝符合大批量制造標準，從而可以實現高成本效益、快速組裝和系統集成。通過種種舉措，解決了二氧化碳傳感器由于尺寸、性能和成本方面的限制而難以進一步推廣——盡管如今由于新冠疫情、空氣污染等問題影響，對于該類傳感器的需求暴漲。
也正是由于英飛凌具有多種傳感器組合，可以一站式為客戶提供更全面的系統級傳感器融合方案。
展開 汽車傳感器AEC-Q103認證測試要求解讀
汽車電子委員會（AEC）根據車載MEMS特性制定出最新標準AEC-Q103，由于之前MEMS微機電系統做車規認證一直是參照AEC-Q100，此次制定的標準無疑是為行業提供了更具針對性的要求，對于MEMS做車規級認證也更加合理。AECQ103的制定標準為車規傳感器行業提供了更具針對性的要求，完善并且提高了對于車載傳感器的測試標準。下圖是AECQ103驗證流程：
AEC-Q103 是針對汽車傳感器的應力測試標準。
產品范圍：MEMS壓力傳感器、MEMS麥克風、氧傳感器、溫度傳感器、空氣流量傳感器、爆震傳感器、速度傳感器、轉速傳感器、ABS傳感器、觸發碰撞傳感器、防護碰撞傳感器、轉矩傳感器、液壓傳感器等。
測試要求解讀
1、溫度等級
MEMS供貨商必須先了解終端客戶如何使用MEMS及其在車內的安裝位置，以實際應用的溫度范圍來制定合適的溫度等級，次溫度等級定義會應用在兩個部分。
第一部分為測試計劃展開時各可靠度實驗的條件選擇，如：TCT（Teperature Cycling,溫度循環實驗），不同等級的溫變范圍及溫差循環數會有差異。
第二部分為前述的可靠度實驗前后功能性測試溫度必須依照User所制定的溫度范圍來做功能應用的FT（Final Test）測試，制定溫度等級為Grade1（-40~125），則代表FT時使用低溫-40、常溫25及高溫125，且需要留意其測試溫度有先后順序的制定。如：HTOL（High Temperature Operating Life,高溫工作壽命試驗）實驗在FT測試定義順序為RoomaColdaHot。
2、實驗項目增減
（1）取消：GL（Gate Leakage：高溫閘極漏電測試）及ESD中的MM（Machine Mode）。
展開 集成電路的十年黃金時代宣告結束？
另外還有MEMS麥克風的廠商，也是智能手機時代的直接受益者。無論是瑞聲科技還是歌爾聲學，他們都是依賴于蘋果，走上了事業的巔峰。智能手機的出現，也成就了如伯恩光學和藍思科技這樣的玻璃廠商。如果沒有智能手機的出現，相信他們也達不到今天的高度。
其他如WIFI、藍牙和電源供應商，在智能手機時代掙的盤滿缽滿，自然不在話下。
智能手機除了在傳統的半導體器件上推動產業發展，還在蘋果的帶領下，將現有的一些技術改造，推廣到手機上，又成就了一批廠商。
首先，智能手機導入的拍照功能，不但讓屢傳倒閉的索尼成功翻身，三星最近在這個領域也迅速崛起，這個領域國內也成就了格科微和思特威的突圍而出。在鏡頭方面，也給了國內的歐菲光和舜宇科技崛起的機會。
其次，蘋果在iPhone 5S上引入的指紋識別，帶動安卓陣型進入這個領域，這不但帶動了瑞典FPC的迅猛增長，也驅使國內的匯頂科技攀上了高峰，成就了信煒科技、費恩格爾和思立微等一批公司；
再者，蘋果帶領整個智能手機產業進入OLED屏幕時代，這一方面成就了三星，另一方面也讓國內如京東方、維信諾和天馬微等廠商順勢崛起，相關的OLED Driver芯片廠商的借東風，自不必說。
而從去年開始流行的Face ID，也一度使得如文章開頭提到的Lumentum，還有Finisar、asm、IQE，甚至代工廠穩愗的繁榮。國內如睿熙、華芯、縱慧芯光，還有奧比中廣都得益于這波潮流，倍受投資者青睞。
智能手機供應鏈的影響力，甚至可以從蘋果早兩年推出的AirPods引爆的國內外TWS相關芯片供應商的崛起上略見一斑。至于其他如晶圓代工廠、設備供應商、OSAT、材料供應商等，也同樣受益于智能手機的發展。從某種程度上，智能手機還是當中某些廠商的重要支持。
展開 氣體泄漏檢測頻頻出錯？怎樣才能快速發現真正的泄露點？
64個MEMS數字麥克風的聲壓傳感器陣列
在可見光中準確定位泄漏點
Fluke ii900 聲學成像儀擁有強大的功能系統，獲得用戶的一致認可。此外，它也已經在眾多行業有所應用：生產和使用各類氣體的廠家，如化工、冶金、食品、制藥或其它制造行業。
可見，Fluke ii900 聲學成像儀作為新型檢測工具，對設備維護人員進行及時有效的泄漏點排查和處理，保證各大企業正常生產具有重要意義。
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聲學發展史之——智能聲學
這個問題可以被MEMS音箱解決，因其體積小價位低。MEMS 音箱也是聲學里邊比較前沿的技術，也是智能音箱可以發展的一項技術之一。我們作者群的德克薩斯大學的牛小宇博士所在的UT Acoustic MEMS Lab一直致力于這方面的研究，感興趣的也可以看下他寫過的指向性MEMS麥克風的文章地球上最先進的麥克風，居是蒼蠅耳朵……
非線性均衡（Nonlinear equalization）
我們在用EQ調音的時候，不僅在調由于房間反射引起的失真，同時也在調由于音箱和放大系統引起的線性或者非線性失真。我們經常提到的均衡或者調音主要是在調節線性失真。近年來，也有研究在利用Volterra濾波器來模擬放大器-喇叭-腔體系統，然后再把信號播出，來均衡系統的線性和非線性行為。
定制化調音
根據使用者喜歡的音樂風格，來做相關的定制化調音。根據所聽音樂的頻率成分，來學習使用者的喜好。并制成屬于使用者特有的均衡曲線，加到其所聽的音樂當中。
定向聲技術
TWS耳機固然好，但是再舒服的耳機戴久了也會不舒服。所以國內外都開始了定向聲技術的研發。我在讀博時候一個辦公室的以色列好基友前幾年就在做這個事情，他們也把這項技術叫做虛擬耳機。國內我所了解中科院聲學所也在做。
把耳機+音箱+3D回放融為一體，取其精華，去其槽粕。其原理主要有三點：
1. 通過3D傳感器，對頭部尤其是雙耳位置進行識別；
2. 高指向聲音打向耳朵。獲取雙耳位置信息后，雙耳音頻信號被調制成超聲，因此實現對雙耳的精準打擊，然后通過某種非線性、自解調的算法（并不知道是什么方法，有知道的請不吝賜教），在雙耳處還原原始音頻；
3. 超聲發射由一種特殊音箱（Multi-cell speaker module）完成。
展開 車規級電子元器件AEC-Q認證測試——華碧實驗室
服務范圍：
集成電路、半導體分立器件、光器件、MEMS器件、MCM模組、阻容感晶振等無源電子元件。
檢測標準：
l AEC-Q100：適用于各類集成電路芯片；
l AEC-Q101：適用于BJT、MOSFET、IGBT、Diodes、Rectifier、Zeners、PIN、Varactors等分立器件；
l AEC-Q102：適用于LEDs、Optocoupler、Photodiodes、Phototransistors等光器件；
l AEC-Q103:適用于壓力傳感器、麥克風等MEMS器件；
l AEC-Q104：適用于各類多芯片組件MCM；
l AEC-Q200：適用于各類電容器、電阻器、電感器、變壓器、阻容網絡、保險絲等元件；
展開 細看美歐日之間的半導體的收購
英美盛是加速度計、陀螺儀、電子羅盤及麥克風等MEMS傳感器市場領導企業，具有擴展性非常好的CMOS/MEMS平臺，當年是蘋果（Apple）的主要供應商之一。
東電化收購InvenSense后，將強化東電化在智能手機零部件供應商的地位，TDK在傳感器技術方面的實力將大增。
二、歐系收購
英飛凌收購賽普拉斯
2020年4月16日，英飛凌（Infineon）宣布完成對賽普拉斯（Cypress）的收購。
2019年6月3日，英飛凌與賽普拉斯宣布雙方已簽署最終協議，根據該協議，英飛凌將以每股23.85美元的現金收購賽普拉斯，總價值相當于90億歐元的。
英飛凌已經是功率半導體和安全控制器的領導者，完成收購賽普拉斯后，英飛凌將成為汽車行業的第一大半導體供應商。
英飛凌收購國際整流器
2015年1月13日，英飛凌宣布完成對國際整流器（International Rectifier，IR）的收購。
收購國際整流器，穩固了英飛凌在全球功率半導體市場上的領先地位。國際整流器在低功耗、高能效IGBT和智能電源模塊、功率MOSFET的實力與英飛凌實現完美整合；同時英飛凌還獲得了硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件的制造技術，加速公司在氮化鎵和碳化硅（SiC）技術的組合。
2014年8月20日，英飛凌宣布將以每股40美元的價格收購國際整流器公司已發行股份，收購金額高達約30億美元。
恩智浦收購飛思卡爾
2015年12月7日，恩智浦（NXP）宣布完成對飛思卡爾（Freescale）的收購。
2015年3月2日，恩智浦宣布將以大約118億美元的現金加股票收購飛思卡爾。
展開 一文看懂封裝基板
迄今為止最常見的包括MEMS傳感器、MEMS麥克風和攝像頭模塊。
用于數字模塊的基板與用于BGA和CSP封裝的基板相似。他們通常使用簡單的兩到四層基板，但現在加入了更先進的薄核組裝基板設計。特別是對于許多MEMS麥克風來說，一個獨特的區別是在基板中使用了嵌入式電容器和電阻箔。
主要數字模組基板供應商包括金星、Unimicron、南亞PCB、深南、森科、LG Innotek等。
RFModule
射頻模塊包括一系列解決方案，通常包括一個或多個有源功率器件和無源元件。RF模塊常見于功率放大器（PA）和功率放大器雙工器（PAD）模塊，還用于WLAN/藍牙和/或GPS的連接模塊，通常使用有機封裝基板。射頻模塊的尺寸通常為3毫米到10毫米，通常可以包含一到四個有源CMOS或砷化鎵芯片，以及多達四十個分立無源元件。
2019年全球RF AND Digital Module封裝基板產值預計為10.55美元，占全球封裝基板總產值12.96%。Prismark預計2024年RFANDDigital Module封裝基板產值將達17.10美元，年復合增長率為10.41%。
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