ECM vs MEMS麥克風:越新就越好?

作者 : Ryan Smoot,CUI Devices技術支援工程師

ECM和MEMS麥克風各有優缺點,本文針對這兩種技術為設計人員提供所需了解的資訊...

不久前,如果看到有人對著家中的冰箱或電烤箱說話,你可能會懷疑他們是否工作太累了,可能需要休假了。令人難以置信的是,這正迅速成為一種日常現象,不再受到人們的質疑或引起詫異的眼神。語音正迅速成為用戶控制日常生活中快速普及的物聯網(IoT)裝置之首選介面。因此,麥克風的選擇正成為這類電子裝置以及其他電子產品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)麥克風和駐極體電容麥克風(ECM)(圖1)。簡要地解釋了它們的工作原理並考慮其相對優點,然後探討在為不同應用進行選擇時要注意什麼。

 

CUI ECM vs MEMS microphones

圖1:MEMS vs ECM。

 

 

什麼是MEMS麥克風?

MEMS是一個用於描述高度微型化元件和系統的術語,它們位於採用半導體製造製程建立的晶片上。這使得MEMS麥克風可以足夠小,以安裝於印製電路板(PCB)上,如圖2所示。

這種「頂部埠」MEMS麥克風包含一個帶有小孔的保護金屬外殼,從而能讓聲音進入外殼。在「底部埠」版本中,聲音透過PCB上的一個孔從下方進入外殼。

 

CUI cutaway of MEMS microphone

圖2:MEMS麥克風的内部結構。

 

MEMS麥克風如何作?

MEMS麥克風包含一個將聲音轉換為電能的換能器。該換能器由一個隔膜構成,用於作為儲存電壓的電容器。進入外殼的聲波會導致隔膜振動,從而改變電容器中儲存的電壓。對這種微小的可變電訊號進行檢測並將其發送到音訊前置放大器放大到足夠大後,就可以進行進一步的類比處理(圖3)或使用類比數位轉換器(ADC)將其轉換為數位形式——放大器和ADC通常位於與換能器不同的裸片上。

 

CUI analog MEMS schematic

圖3:類比MEMS原理圖。

(來源:CUI Devices)

 

脈衝密度調變(PDM)是一種常用於傳輸數位音訊的編碼機制,因為它只需要使用一個時脈訊號與音訊數據串流一併發送,從而簡化了在接收器進行訊號解碼(圖4)。

 

 

CUI digital MEMS schematic

圖4:數位MEMS原理圖。

 

在其他MEMS版本中,音訊訊號使用抽取濾波器直接在麥克風外殼內進行濾波和處理,從而能直接連接到數位訊號處理器(DSP)或微處理器。這種數位音訊編碼機制稱為I2S,在許多情況下並不需要使用ADC或編解碼器。

MEMS麥克風有哪些優勢?

MEMS是一種新的製造技術,支援在與麥克風換能器相同的封裝中製造並放置額外的類比和數位電路(前置放大器等)。這帶來了幾個優點:

  • 首先,彼此靠近的電路元件會表現出緊密匹配的性能特徵,包括溫度穩定性——這在使用陣列的應用中是一項重要規格。
  • 其次,較小封裝的MEMS麥克風更容易以PCB貼片機進行處理,同時所需的電路板空間也更少,這最終將轉化為在製造過程中節省更多成本。

另外,雖然數位MEMS麥克風本質上是抗雜訊的,但類比MEMS麥克風具有輸出阻抗低的優勢,這使得其不易於受到不期望的電雜訊干擾。針對外部機械振動以及在PCB製造過程中伴隨回流焊出現的極端溫度變化,MEMS麥克風也有很強的耐受力。

 

 

什麼是ECM

ECM的工作原理與MEMS麥克風相類似,但構造不同。它包含一個透過氣隙電介質與拾取板隔開的駐極體隔膜,它們一起充當一個固定的儲存電荷電容器(圖5)。

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