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MEMS麦克风与ECM 麦克风技术对比
2019-02-21
从可穿戴设备到家庭助理，越来越多的设备利用麦克风来准确捕捉几乎任何声音。麦克风结构中两种最常用的技术是微机电系统 (MEMS) 麦克风和驻极体电容式麦克风 (ECM)，每种技术都有无数使用案例。本文将介绍这两种技术的基础知识，然后比较两者的差异，最后简单介绍每种解决方案的优势。
MEMS 麦克风
MEMS 麦克风的 MEMS 元件位于印刷电路板 (PCB) 上，并由机械盖提供保护，其外壳上开了一个小孔，以允许声音进入器件。小孔的位置决定了麦克风的类型，如果小孔位于顶盖内，则麦克风称作上置声孔麦克风，如果小孔位于 PCB 内，则称作下置声孔麦克风。MEMS 元件通常配有一个机械振膜，以及一个装在半导体芯片上的安装结构。
图 1：典型上置声孔 MEMS 麦克风结构。（图片来源：CUI Devices）
MEMS 振膜形成一个电容器，而声压波会引起振膜运动。一般而言，MEMS 麦克风包含一个第二半导体芯片，该芯片充当音频前置放大器，用于将 MEMS 不断变化的电容转换为电信号。如果首选模拟输出信号，则可向用户提供音频前置放大器的输出。不过，如果需要数字输出信号，则在该音频前置放大器的同一芯片上集成了一个模数转换器 (ADC)。脉冲密度调制 (PDM) 是用于 MEMS 麦克风数字编码的传统格式，只需一条数据线和一个时钟便可实现通信。此外，由于数据采用单比特编码，在接收器处对数字信号解码也变得更容易。
图 2：左图：模拟 MEMS 麦克风的应用原理图。右图：数字 MEMS 麦克风的应用原理图（图片来源：CUI Devices）
驻极体电容式麦克风
驻极体电容式麦克风 (ECM) 的结构如图 3 所示。
图 3：驻极体电容式麦克风的基本结构（图片来源：CUI Devices）
在 ECM 中，驻极体振膜是一种放置在导电板附近，具有固定表面电荷的材料，并且与 MEMS 麦克风一样，利用形成电介质的气隙来构造电容器。移动驻极体振膜的声压波会引起电容值变化，从而导致电容器两端的电压发生变化，ΔV= Q /ΔC（Q = 固定电荷）。电容器电压的这些变化通过麦克风外壳内的 JFET 进行放大和缓冲。JFET 通常采用共源配置设计，这种配置在外部应用电路中配有外部负载电阻和直流阻塞电容器。
图 4：ECM 应用原理图（图片来源：CUI Devices）
优势与取舍
在 ECM 或 MEMS 麦克风之间选择时，需要考虑许多因素。较新的 MEMS 麦克风技术具有诸多优势，这体现为其市场份额的迅速扩大。例如，对于为空间受限的应用寻找解决方案的设计人员而言，他们更青睐 MEMS 麦克风，因为这种麦克风不仅封装尺寸小，而且通过在组件内集成模拟和数字电路，缩小了 PCB 面积并降低了元件成本。
此外，模拟 MEMS 麦克风的输出阻抗相对较低，搭配数字 MEMS 麦克风的输出，堪称电噪声环境下的应用首选。同样，在高振动环境中使用 MEMS 麦克风技术，可以降低机械振动产生的令人讨厌的噪声水平。半导体结构技术配合增加的音频前置放大器，进一步增大了制造出具有紧密匹配和温度稳定性能特征的 MEMS 麦克风的可能性，而这种麦克风非常适合多麦克风阵列应用。在制造过程中，MEMS 麦克风还可以承受回流焊温度曲线。
尽管 MEMS 麦克风日益流行，但驻极体电容式麦克风 (ECM) 仍然是各种应用的可行选择。由于许多传统设计采用的是 ECM，因此继续使用 ECM 进行简单的设计升级，对工程师来说可能是最简单的解决方案。凭借包括电线、引脚、焊盘、SMT 和弹簧触点在内的多种端接方式，ECM 还为设计人员提供了更多的安装灵活性。如果存在灰尘和湿气问题，则可以轻松采用具有高侵入防护 (IP) 等级的 ECM 解决方案，因为 ECM 麦克风的物理尺寸较大。此外，在需要非均匀空间灵敏度的应用中，ECM 产品还具有单向性或消噪指向性。ECM 麦克风的大范围工作电压也适用于具有松散稳压电压轨的应用。
选择合适的麦克风
最终选择哪种麦克风技术取决于项目的约束条件。MEMS 麦克风因为具有众多的固有优势而日渐流行，这一事实毋庸置疑，但由于 ECM 产品提供了许多封装和方向性选择，因此仍有大量应用依赖 ECM 产品。不过除了技术选择之外，电子元件制造商 CUI Devices 还在不断开发和提供各种麦克风产品，为满足您的音频需求提供了更大的灵活性。
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