不久前，看到有人對(duì)著冰箱或電烤箱說(shuō)話，你可能會(huì)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(yǔ)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(gè)原因，麥克風(fēng)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(jì)考慮因素。

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

什么是 MEMS 麥克風(fēng)？

MEMS 是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述高度微型化的組件和系統(tǒng)，它們位于使用半導(dǎo)體制造工藝創(chuàng)建的芯片上。這使得 MEMS 麥克風(fēng)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(fēng)由一個(gè)帶有小孔的保護(hù)金屬外殼組成，可以讓聲音進(jìn)入外殼。在“底部端口”版本中，聲音通過(guò) PCB 上的孔從下方進(jìn)入外殼。

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

MEMS麥克風(fēng)如何工作？

MEMS 麥克風(fēng)包含一個(gè)將聲音轉(zhuǎn)換為電能的傳感器。換能器由一個(gè)隔膜組成，該隔膜用作存儲(chǔ)電壓的電容器。進(jìn)入外殼的聲波會(huì)導(dǎo)致膜片振動(dòng)，從而改變存儲(chǔ)在電容器中的電壓。檢測(cè)到這種微小的可變電信號(hào)并將其發(fā)送到音頻前置放大器，使其足夠大以進(jìn)行進(jìn)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?yàn)樗恍枰粋€(gè)時(shí)鐘信號(hào)與音頻數(shù)據(jù)流一起發(fā)送，從而簡(jiǎn)化了接收器對(duì)信號(hào)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(hào)使用抽取濾波器直接在麥克風(fēng)外殼內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾和處理，從而允許直接連接到數(shù)字信號(hào)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(wú)需 ADC 或編解碼器。

MEMS麥克風(fēng)有哪些優(yōu)勢(shì)？

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(fēng)換能器相同的封裝中。這帶來(lái)了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

• 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(gè)重要規(guī)范。
• 其次，更小的 MEMS 麥克風(fēng)封裝更容易被“拾取和放置”P(pán)CB 安裝機(jī)處理，同時(shí)還需要更少的電路板空間，最終轉(zhuǎn)化為制造過(guò)程中的成本節(jié)約。

另外，雖然數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)本質(zhì)上是抗噪聲的，但模擬 MEMS 麥克風(fēng)具有輸出阻抗低的優(yōu)勢(shì)，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(fēng)還對(duì)外部機(jī)械振動(dòng)和 PCB 制造過(guò)程中回流焊時(shí)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(fēng)相似，但構(gòu)造不同。它由一個(gè)駐極體隔膜組成，該隔膜通過(guò)氣隙電介質(zhì)與拾波板隔開(kāi)，它們共同充當(dāng)一個(gè)固定的存儲(chǔ)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(dòng)，從而改變電容 (ΔC)。由于存儲(chǔ)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(dòng)而變化 (ΔV)。這就是它將聲音轉(zhuǎn)換為電能的方式。電壓信號(hào)被發(fā)送到 JFET 晶體管（也安裝在麥克風(fēng)外殼內(nèi)）的柵極，該晶體管與外部負(fù)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(diǎn)是什么？

ECM 可以通過(guò)多種方式連接到應(yīng)用電路，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了極大的靈活性。連接選項(xiàng)包括電線、引腳、焊盤(pán)、SMT 和彈簧觸點(diǎn)。盡管在大多數(shù)情況下它們?cè)谖锢砩媳?MEMS 麥克風(fēng)大，但這種明顯的缺點(diǎn)實(shí)際上為它們提供了它們的主要優(yōu)勢(shì)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(fēng)更高的防護(hù) (IP) 等級(jí)。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(gè)優(yōu)勢(shì)。

我應(yīng)該選擇哪一個(gè)——MEMS 或 ECM？

由于其小尺寸、抗電噪聲和機(jī)械穩(wěn)健性，MEMS 麥克風(fēng)正變得越來(lái)越流行。但是，這并不意味著它們是每個(gè)應(yīng)用程序事實(shí)上的最佳選擇。許多遺留應(yīng)用程序可能會(huì)受益于對(duì)其當(dāng)前 ECM 的簡(jiǎn)單更改或升級(jí)。除了出色的 IP 等級(jí)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(duì)設(shè)計(jì)的空間限制特別嚴(yán)重（例如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、助聽(tīng)器植入物等），或者可能需要在整個(gè)設(shè)備中分布多個(gè)麥克風(fēng)（例如在 VR 耳機(jī)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(fù)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(yǔ)音控制的家庭助理、語(yǔ)音識(shí)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(guò)與全面了解 ECM 和 MEMS 麥克風(fēng)的特性以及各自優(yōu)勢(shì)的公司合作，可以做出最佳選擇。

關(guān)于作者：

憑借對(duì) CUI Devices 產(chǎn)品的廣泛了解，Ryan Smoot 在該領(lǐng)域?yàn)榭蛻籼峁V泛的技術(shù)和應(yīng)用支持能力。他對(duì) CUI Devices 強(qiáng)大的 CAD 模型庫(kù)的管理進(jìn)一步為工程師提供了簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的寶貴資源。當(dāng)他不協(xié)助客戶時(shí)，Ryan 喜歡跑步、戶外活動(dòng)以及與妻子和兩個(gè)孩子共度時(shí)光。

審核編輯 黃昊宇