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(fēng)來準(zhǔn)確捕捉幾乎任何聲音。麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)中兩種最常用的技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)和駐極體電容式麥克風(fēng) (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(shí)，然后比較兩者的差異，最后簡(jiǎn)單介紹每種解決方案的優(yōu)勢(shì)。
MEMS 麥克風(fēng)
MEMS 麥克風(fēng)的 MEMS 元件位于印刷電路板 (PCB) 上，并由機(jī)械蓋提供保護(hù)，其外殼上開了一個(gè)小孔，以允許聲音進(jìn)入器件。小孔的位置決定了麥克風(fēng)的類型，如果小孔位于頂蓋內(nèi)，則麥克風(fēng)稱作上置聲孔麥克風(fēng)，如果小孔位于 PCB 內(nèi)，則稱作下置聲孔麥克風(fēng)。MEMS 元件通常配有一個(gè)機(jī)械振膜，以及一個(gè)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(fēng)結(jié)構(gòu)。（圖片來源：CUI Devices）
MEMS 振膜形成一個(gè)電容器，而聲壓波會(huì)引起振膜運(yùn)動(dòng)。一般而言，MEMS 麥克風(fēng)包含一個(gè)第二半導(dǎo)體芯片，該芯片充當(dāng)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(hào)。如果首選模擬輸出信號(hào)，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(hào)，則在該音頻前置放大器的同一芯片上集成了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。脈沖密度調(diào)制 (PDM) 是用于 MEMS 麥克風(fēng)數(shù)字編碼的傳統(tǒng)格式，只需一條數(shù)據(jù)線和一個(gè)時(shí)鐘便可實(shí)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(duì)數(shù)字信號(hào)解碼也變得更容易。
圖 2：左圖：模擬 MEMS 麥克風(fēng)的應(yīng)用原理圖。右圖：數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)的應(yīng)用原理圖（圖片來源：CUI Devices）
駐極體電容式麥克風(fēng)
駐極體電容式麥克風(fēng) (ECM) 的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
圖 3：駐極體電容式麥克風(fēng)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(fēng)一樣，利用形成電介質(zhì)的氣隙來構(gòu)造電容器。移動(dòng)駐極體振膜的聲壓波會(huì)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(fēng)外殼內(nèi)的 JFET 進(jìn)行放大和緩沖。JFET 通常采用共源配置設(shè)計(jì)，這種配置在外部應(yīng)用電路中配有外部負(fù)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(shì)與取舍
在 ECM 或 MEMS 麥克風(fēng)之間選擇時(shí)，需要考慮許多因素。較新的 MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，這體現(xiàn)為其市場(chǎng)份額的迅速擴(kuò)大。例如，對(duì)于為空間受限的應(yīng)用尋找解決方案的設(shè)計(jì)人員而言，他們更青睞 MEMS 麥克風(fēng)，因?yàn)檫@種麥克風(fēng)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(fēng)的輸出阻抗相對(duì)較低，搭配數(shù)字 MEMS 麥克風(fēng)的輸出，堪稱電噪聲環(huán)境下的應(yīng)用首選。同樣，在高振動(dòng)環(huán)境中使用 MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)，可以降低機(jī)械振動(dòng)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(jìn)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(fēng)的可能性，而這種麥克風(fēng)非常適合多麥克風(fēng)陣列應(yīng)用。在制造過程中，MEMS 麥克風(fēng)還可以承受回流焊溫度曲線。
盡管 MEMS 麥克風(fēng)日益流行，但駐極體電容式麥克風(fēng) (ECM) 仍然是各種應(yīng)用的可行選擇。由于許多傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是 ECM，因此繼續(xù)使用 ECM 進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)升級(jí)，對(duì)工程師來說可能是最簡(jiǎn)單的解決方案。憑借包括電線、引腳、焊盤、SMT 和彈簧觸點(diǎn)在內(nèi)的多種端接方式，ECM 還為設(shè)計(jì)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(hù) (IP) 等級(jí)的 ECM 解決方案，因?yàn)?ECM 麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)
最終選擇哪種麥克風(fēng)技術(shù)取決于項(xiàng)目的約束條件。MEMS 麥克風(fēng)因?yàn)榫哂斜姸嗟墓逃袃?yōu)勢(shì)而日漸流行，這一事實(shí)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(fēng)產(chǎn)品，為滿足您的音頻需求提供了更大的靈活性。
