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象，不再受到質疑或激發奇怪的目光。語音正迅速成為用戶控制物聯網設備的首選界面，這些設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備和其他電子設備的重要設計考慮因素。

在本文中，我們回顧了兩種最常見的麥克風技術——微機電系統 (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點，然后再考慮在為不同應用選擇它們時要尋找什么。

什么是 MEMS 麥克風？

MEMS 是一個術語，用于描述高度微型化的組件和系統，它們位于使用半導體制造工藝創建的芯片上。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 麥克風的內部結構（圖片：CUI Devices）

MEMS麥克風如何工作？

MEMS 麥克風包含一個將聲音轉換為電能的傳感器。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）或使用模數轉換器（ADC）轉換為數字格式 - 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）

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

圖 4：數字 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進行過濾和處理，從而允許直接連接到數字信號處理器 (DSP) 或微處理器。^{這種稱為 I 2} S 的數字音頻編碼方案在許多情況下無需 ADC 或編解碼器。

MEMS麥克風有哪些優勢？

MEMS 是一種新的制造技術，它允許制造額外的模擬和數字電路（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。這帶來了幾個優點：

• 首先，彼此靠近的電路元件表現出非常匹配的性能特征，包括溫度穩定性——這是使用陣列的應用中的一個重要規范。
• 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，最終轉化為制造過程中的成本節約。

另外，雖然數字 MEMS 麥克風本質上是抗噪聲的，但模擬 MEMS 麥克風具有輸出阻抗低的優勢，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，但構造不同。它由一個駐極體隔膜組成，該隔膜通過氣隙電介質與拾波板隔開，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 的內部結構（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等式 ΔV = Q/ΔC 響應膜片的振動而變化 (ΔV)。這就是它將聲音轉換為電能的方式。電壓信號被發送到 JFET 晶體管（也安裝在麥克風外殼內）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 的優點是什么？

ECM 可以通過多種方式連接到應用電路，從而為系統設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勢之一，即在存在環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工作，這在電源調節不佳的應用中是一個優勢。

我應該選擇哪一個——MEMS 或 ECM？

由于其小尺寸、抗電噪聲和機械穩健性，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用程序事實上的最佳選擇。許多遺留應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境中表現良好之外，ECM 的內在特性也使它們成為受益于降噪或單向性應用的絕佳選擇。

如果對設計的空間限制特別嚴重（例如智能手機、可穿戴設備、助聽器植入物等），或者可能需要在整個設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，如果優先考慮提高性能或對具有挑戰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，專業音頻設備、語音控制的家庭助理、語音識別系統和其他廣泛的應用將繼續依賴這些設備。

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

關于作者：

憑借對 CUI Devices 產品的廣泛了解，Ryan Smoot 在該領域為客戶提供廣泛的技術和應用支持能力。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品設計的寶貴資源。當他不協助客戶時，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