從可穿戴設(shè)備到家庭助理，越來越多的設(shè)備利用麥克風來準確捕捉幾乎任何聲音。麥克風結(jié)構(gòu)中兩種最常用的技術(shù)是微機電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風和駐極體電容式麥克風 (ECM)，每種技術(shù)都有無數(shù)使用案例。本文將介紹這兩種技術(shù)的基礎(chǔ)知識，然后比較兩者的差異，最后簡單介紹每種解決方案的優(yōu)勢。
MEMS 麥克風
MEMS 麥克風的 MEMS 元件位于印刷電路板 (PCB) 上，并由機械蓋提供保護，其外殼上開了一個小孔，以允許聲音進入器件。小孔的位置決定了麥克風的類型，如果小孔位于頂蓋內(nèi)，則麥克風稱作上置聲孔麥克風，如果小孔位于 PCB 內(nèi)，則稱作下置聲孔麥克風。MEMS 元件通常配有一個機械振膜，以及一個裝在半導(dǎo)體芯片上的安裝結(jié)構(gòu)。
圖 1：典型上置聲孔 MEMS 麥克風結(jié)構(gòu)。（圖片來源：CUI Devices）
MEMS 振膜形成一個電容器，而聲壓波會引起振膜運動。一般而言，MEMS 麥克風包含一個第二半導(dǎo)體芯片，該芯片充當音頻前置放大器，用于將 MEMS 不斷變化的電容轉(zhuǎn)換為電信號。如果首選模擬輸出信號，則可向用戶提供音頻前置放大器的輸出。不過，如果需要數(shù)字輸出信號，則在該音頻前置放大器的同一芯片上集成了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。脈沖密度調(diào)制 (PDM) 是用于 MEMS 麥克風數(shù)字編碼的傳統(tǒng)格式，只需一條數(shù)據(jù)線和一個時鐘便可實現(xiàn)通信。此外，由于數(shù)據(jù)采用單比特編碼，在接收器處對數(shù)字信號解碼也變得更容易。
圖 2：左圖：模擬 MEMS 麥克風的應(yīng)用原理圖。右圖：數(shù)字 MEMS 麥克風的應(yīng)用原理圖（圖片來源：CUI Devices）
駐極體電容式麥克風
駐極體電容式麥克風 (ECM) 的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
圖 3：駐極體電容式麥克風的基本結(jié)構(gòu)（圖片來源：CUI Devices）
在 ECM 中，駐極體振膜是一種放置在導(dǎo)電板附近，具有固定表面電荷的材料，并且與 MEMS 麥克風一樣，利用形成電介質(zhì)的氣隙來構(gòu)造電容器。移動駐極體振膜的聲壓波會引起電容值變化，從而導(dǎo)致電容器兩端的電壓發(fā)生變化，ΔV= Q /ΔC（Q = 固定電荷）。電容器電壓的這些變化通過麥克風外殼內(nèi)的 JFET 進行放大和緩沖。JFET 通常采用共源配置設(shè)計，這種配置在外部應(yīng)用電路中配有外部負載電阻和直流阻塞電容器。
圖 4：ECM 應(yīng)用原理圖（圖片來源：CUI Devices）
優(yōu)勢與取舍
在 ECM 或 MEMS 麥克風之間選擇時，需要考慮許多因素。較新的 MEMS 麥克風技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，這體現(xiàn)為其市場份額的迅速擴大。例如，對于為空間受限的應(yīng)用尋找解決方案的設(shè)計人員而言，他們更青睞 MEMS 麥克風，因為這種麥克風不僅封裝尺寸小，而且通過在組件內(nèi)集成模擬和數(shù)字電路，縮小了 PCB 面積并降低了元件成本。
此外，模擬 MEMS 麥克風的輸出阻抗相對較低，搭配數(shù)字 MEMS 麥克風的輸出，堪稱電噪聲環(huán)境下的應(yīng)用首選。同樣，在高振動環(huán)境中使用 MEMS 麥克風技術(shù)，可以降低機械振動產(chǎn)生的令人討厭的噪聲水平。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)技術(shù)配合增加的音頻前置放大器，進一步增大了制造出具有緊密匹配和溫度穩(wěn)定性能特征的 MEMS 麥克風的可能性，而這種麥克風非常適合多麥克風陣列應(yīng)用。在制造過程中，MEMS 麥克風還可以承受回流焊溫度曲線。
盡管 MEMS 麥克風日益流行，但駐極體電容式麥克風 (ECM) 仍然是各種應(yīng)用的可行選擇。由于許多傳統(tǒng)設(shè)計采用的是 ECM，因此繼續(xù)使用 ECM 進行簡單的設(shè)計升級，對工程師來說可能是最簡單的解決方案。憑借包括電線、引腳、焊盤、SMT 和彈簧觸點在內(nèi)的多種端接方式，ECM 還為設(shè)計人員提供了更多的安裝靈活性。如果存在灰塵和濕氣問題，則可以輕松采用具有高侵入防護 (IP) 等級的 ECM 解決方案，因為 ECM 麥克風的物理尺寸較大。此外，在需要非均勻空間靈敏度的應(yīng)用中，ECM 產(chǎn)品還具有單向性或消噪指向性。ECM 麥克風的大范圍工作電壓也適用于具有松散穩(wěn)壓電壓軌的應(yīng)用。
選擇合適的麥克風
最終選擇哪種麥克風技術(shù)取決于項目的約束條件。MEMS 麥克風因為具有眾多的固有優(yōu)勢而日漸流行，這一事實毋庸置疑，但由于 ECM 產(chǎn)品提供了許多封裝和方向性選擇，因此仍有大量應(yīng)用依賴 ECM 產(chǎn)品。不過除了技術(shù)選擇之外，電子元件制造商 CUI Devices 還在不斷開發(fā)和提供各種麥克風產(chǎn)品，為滿足您的音頻需求提供了更大的靈活性。
