不久前，看到有人對著冰箱或電烤箱說話，你可能會懷疑他們是否工作太努力，是否需要休假。令人難以置信的是，這正迅速成為一種日常現(xiàn)象，不再受到質(zhì)疑或激發(fā)奇怪的目光。語音正迅速成為用戶控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的首選界面，這些設(shè)備正在增加我們的日常生活。出于這個原因，麥克風的選擇正成為這些電子設(shè)備和其他電子設(shè)備的重要設(shè)計考慮因素。

在本文中，我們回顧了兩種最常見的麥克風技術(shù)——微機電系統(tǒng) (MEMS) 和駐極體電容麥克風 (ECM)（圖 1）。我們簡要解釋了它們的工作原理并考慮了它們的相對優(yōu)點，然后再考慮在為不同應(yīng)用選擇它們時要尋找什么。

什么是 MEMS 麥克風？

MEMS 是一個術(shù)語，用于描述高度微型化的組件和系統(tǒng)，它們位于使用半導體制造工藝創(chuàng)建的芯片上。這使得 MEMS 麥克風足夠小，可以安裝在印刷電路板 (PCB) 上，如圖2 所示。

這種“頂部端口”MEMS 麥克風由一個帶有小孔的保護金屬外殼組成，可以讓聲音進入外殼。在“底部端口”版本中，聲音通過 PCB 上的孔從下方進入外殼。

圖 2：MEMS 麥克風的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片：CUI Devices）

MEMS麥克風如何工作？

MEMS 麥克風包含一個將聲音轉(zhuǎn)換為電能的傳感器。換能器由一個隔膜組成，該隔膜用作存儲電壓的電容器。進入外殼的聲波會導致膜片振動，從而改變存儲在電容器中的電壓。檢測到這種微小的可變電信號并將其發(fā)送到音頻前置放大器，使其足夠大以進行進一步的模擬處理（圖 3）或使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式 - 放大器和ADC 通常位于與換能器不同的裸片上。

圖 3：模擬 MEMS 原理圖（圖片：CUI Devices）

脈沖密度調(diào)制 (PDM) 是一種通常用于傳輸數(shù)字音頻的編碼方案，因為它只需要一個時鐘信號與音頻數(shù)據(jù)流一起發(fā)送，從而簡化了接收器對信號的解碼（圖 4）。

圖 4：數(shù)字 MEMS 原理圖（圖片：CUI Devices）

在其他 MEMS 版本中，音頻信號使用抽取濾波器直接在麥克風外殼內(nèi)進行過濾和處理，從而允許直接連接到數(shù)字信號處理器 (DSP) 或微處理器。^{這種稱為 I 2} S 的數(shù)字音頻編碼方案在許多情況下無需 ADC 或編解碼器。

MEMS麥克風有哪些優(yōu)勢？

MEMS 是一種新的制造技術(shù)，它允許制造額外的模擬和數(shù)字電路（前置放大器等）并將其放置在與麥克風換能器相同的封裝中。這帶來了幾個優(yōu)點：

• 首先，彼此靠近的電路元件表現(xiàn)出非常匹配的性能特征，包括溫度穩(wěn)定性——這是使用陣列的應(yīng)用中的一個重要規(guī)范。
• 其次，更小的 MEMS 麥克風封裝更容易被“拾取和放置”PCB 安裝機處理，同時還需要更少的電路板空間，最終轉(zhuǎn)化為制造過程中的成本節(jié)約。

另外，雖然數(shù)字 MEMS 麥克風本質(zhì)上是抗噪聲的，但模擬 MEMS 麥克風具有輸出阻抗低的優(yōu)勢，這使得它們不太容易受到不需要的電噪聲的干擾。MEMS 麥克風還對外部機械振動和 PCB 制造過程中回流焊時出現(xiàn)的極端溫度變化具有高度耐受性。

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什么是 ECM？

ECM的工作原理與 MEMS 麥克風相似，但構(gòu)造不同。它由一個駐極體隔膜組成，該隔膜通過氣隙電介質(zhì)與拾波板隔開，它們共同充當一個固定的存儲電荷電容器（圖 5）。

圖 5：典型 ECM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片：CUI Devices）

ECM是如何工作的？

聲波使駐極體振膜振動，從而改變電容 (ΔC)。由于存儲的電荷 (Q) 是固定的，因此電容器兩端的電壓必須根據(jù)等式 ΔV = Q/ΔC 響應(yīng)膜片的振動而變化 (ΔV)。這就是它將聲音轉(zhuǎn)換為電能的方式。電壓信號被發(fā)送到 JFET 晶體管（也安裝在麥克風外殼內(nèi)）的柵極，該晶體管與外部負載電阻器和隔直電容器一起用作共源放大器（圖 6）。

圖 6：典型 ECM 示意圖（圖片：CUI Devices）

ECM 的優(yōu)點是什么？

ECM 可以通過多種方式連接到應(yīng)用電路，從而為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了極大的靈活性。連接選項包括電線、引腳、焊盤、SMT 和彈簧觸點。盡管在大多數(shù)情況下它們在物理上比 MEMS 麥克風大，但這種明顯的缺點實際上為它們提供了它們的主要優(yōu)勢之一，即在存在環(huán)境水分和灰塵的情況下的性能。

因此，ECM 通常具有比 MEMS 麥克風更高的防護 (IP) 等級。它們還可以在很寬的電壓范圍內(nèi)工作，這在電源調(diào)節(jié)不佳的應(yīng)用中是一個優(yōu)勢。

我應(yīng)該選擇哪一個——MEMS 或 ECM？

由于其小尺寸、抗電噪聲和機械穩(wěn)健性，MEMS 麥克風正變得越來越流行。但是，這并不意味著它們是每個應(yīng)用程序事實上的最佳選擇。許多遺留應(yīng)用程序可能會受益于對其當前 ECM 的簡單更改或升級。除了出色的 IP 等級使它們能夠在惡劣的環(huán)境中表現(xiàn)良好之外，ECM 的內(nèi)在特性也使它們成為受益于降噪或單向性應(yīng)用的絕佳選擇。

如果對設(shè)計的空間限制特別嚴重（例如智能手機、可穿戴設(shè)備、助聽器植入物等），或者可能需要在整個設(shè)備中分布多個麥克風（例如在 VR 耳機中）例如）那么 MEMS 可能是更好的選擇。

相反，如果優(yōu)先考慮提高性能或?qū)哂刑魬?zhàn)性的操作條件的恢復能力，那么 ECM 可能被證明是更合適的途徑。因此，專業(yè)音頻設(shè)備、語音控制的家庭助理、語音識別系統(tǒng)和其他廣泛的應(yīng)用將繼續(xù)依賴這些設(shè)備。

通過與全面了解 ECM 和 MEMS 麥克風的特性以及各自優(yōu)勢的公司合作，可以做出最佳選擇。

關(guān)于作者：

憑借對 CUI Devices 產(chǎn)品的廣泛了解，Ryan Smoot 在該領(lǐng)域為客戶提供廣泛的技術(shù)和應(yīng)用支持能力。他對 CUI Devices 強大的 CAD 模型庫的管理進一步為工程師提供了簡化產(chǎn)品設(shè)計的寶貴資源。當他不協(xié)助客戶時，Ryan 喜歡跑步、戶外活動以及與妻子和兩個孩子共度時光。

審核編輯 黃昊宇