MEMS与ECM：比较麦克风技术

元件

从可穿戴设备到家庭助理，越来越多的设备利用麦克风准确捕捉几乎任何声音。麦克风构造中最常用的两种技术是微机电系统（MEMS）麦克风和驻极体电容式麦克风（ECM），其中任何一种都有许多用例。本文将回顾两种技术的基础知识，比较它们的差异并贯穿每种解决方案的优势。

MEMS麦克风

MEMS麦克风采用MEMS元件安装在印刷电路板（PCB）上并由机械覆盖物保护，机壳内加工了一个小孔，可以让声音进入设备。此孔的定位定义了麦克风是指定为顶部端口，如果孔位于顶部覆盖中，还是底部端口（如果位于PCB中）。MEMS部件通常具有机械隔膜和制造在半导体管芯上的安装结构。

图1：典型的顶部端口MEMS麦克风结构。（图片来源：CUI Inc。）

MEMS膜片形成电容器，声压波引起膜片的移动。通常，MEMS麦克风包含用作音频前置放大器的第二半导体管芯，其将MEMS的变化电容转换为电信号。在优选模拟输出信号的情况下，可以将音频前置放大器的输出提供给用户。但是，如果需要数字输出信号，则模数转换器（ADC）与音频前置放大器结合在同一个芯片上。脉冲密度调制（PDM）是用于MEMS麦克风中的数字编码的传统格式，并且允许仅利用单个数据线和时钟进行通信。另外，由于数据的单比特编码，在接收器处解码数字信号变得更容易。

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 Inc.）

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（图像来源：CUI Inc.）

在ECM中，驻极体隔膜是具有固定表面电荷的材料，其放置在导电板附近，并且像MEMS麦克风一样，产生电容器，其中气隙形成电介质。移动驻极体振膜的声压波导致电容值改变，导致电容器两端的电压变化，ΔV= Q /ΔC（Q =固定电荷）。电容器电压的这些变化由麦克风外壳内的JFET放大和缓冲。JFET通常采用共源配置，外部负载电阻和外部应用电路采用隔直电容。

图4：ECM的应用原理图（图像来源：CUI Inc.）

优势和权衡

在ECM或MEMS麦克风之间进行选择时，需要考虑许多因素。新型MEMS麦克风技术带来的诸多优势体现在其迅速扩大的市场份额中。例如，那些在空间有限的应用中寻找解决方案的人将看好MEMS麦克风提供的小封装尺寸，以及通过在其内部包含模拟和数字电路实现的PCB面积和元件成本的降低。 MEMS麦克风组件。

此外，模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低，再加上数字MEMS麦克风的输出，非常适合电噪声环境中的应用。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不受欢迎的噪声水平。半导体构造技术与音频前置放大器的加入进一步使得制造具有紧密匹配，温度稳定性能特性的MEMS麦克风成为可能，使其非常适合于多麦克风阵列应用。在制造过程中，MEMS麦克风还可以承受回流焊接温度曲线。

尽管MEMS麦克风有所增加，但驻极体电容式麦克风仍然是各种应用的可行选择。由于许多传统设计使用了ECM，继续使用ECM进行简单的设计升级可能为工程师提供最简单的解决方案。ECM还为设计人员提供了更多的安装灵活性，其端接类型包括电线，引脚，焊盘，SMT和弹簧触点。在灰尘和湿气成为问题的地方，很容易获得具有高防护等级（IP）的ECM解决方案因为它们的物理尺寸较大。此外，在需要非均匀空间灵敏度的应用中，ECM产品具有单向或噪声消除方向性。它们的宽范围工作电压也适用于具有松散调节电压轨的应用。

选择合适的麦克风

最终，您选择的麦克风技术取决于项目的限制。虽然MEMS麦克风由于其众多的内在优势而继续普及，但由于其包装和方向选择的多样性，ECM仍然在各种应用中依赖于它。然而，除了技术选择之外，电子元件制造商CUI继续开发并提供各种麦克风产品，在您的音频需求方面为您提供更大的灵活性。