ECM 与 MEMS 麦克风：新意味着更好吗？

不久前，看到有人对着冰箱或电烤箱说话，你可能会怀疑他们是否工作太努力，是否需要休假。令人难以置信的是，这正迅速成为一种日常现象，不再受到质疑或激发奇怪的目光。语音正迅速成为用户控制物联网设备的首选界面，这些设备正在增加我们的日常生活。出于这个原因，麦克风的选择正成为这些电子设备和其他电子设备的重要设计考虑因素。

在本文中，我们回顾了两种最常见的麦克风技术——微机电系统 (MEMS) 和驻极体电容麦克风 (ECM)（图 1）。我们简要解释了它们的工作原理并考虑了它们的相对优点，然后再考虑在为不同应用选择它们时要寻找什么。

 

什么是 MEMS 麦克风？

MEMS 是一个术语，用于描述高度微型化的组件和系统，它们位于使用半导体制造工艺创建的芯片上。这使得 MEMS 麦克风足够小，可以安装在印刷电路板 (PCB) 上，如图2 所示。

这种“顶部端口”MEMS 麦克风由一个带有小孔的保护金属外壳组成，可以让声音进入外壳。在“底部端口”版本中，声音通过 PCB 上的孔从下方进入外壳。

图 2：MEMS 麦克风的内部结构（图片：CUI Devices）

MEMS麦克风如何工作？

MEMS 麦克风包含一个将声音转换为电能的传感器。换能器由一个隔膜组成，该隔膜用作存储电压的电容器。进入外壳的声波会导致膜片振动，从而改变存储在电容器中的电压。检测到这种微小的可变电信号并将其发送到音频前置放大器，使其足够大以进行进一步的模拟处理（图 3）或使用模数转换器（ADC）转换为数字格式 - 放大器和ADC 通常位于与换能器不同的裸片上。

图 3：模拟 MEMS 原理图（图片：CUI Devices）

脉冲密度调制 (PDM) 是一种通常用于传输数字音频的编码方案，因为它只需要一个时钟信号与音频数据流一起发送，从而简化了接收器对信号的解码（图 4）。

图 4：数字 MEMS 原理图（图片：CUI Devices）

在其他 MEMS 版本中，音频信号使用抽取滤波器直接在麦克风外壳内进行过滤和处理，从而允许直接连接到数字信号处理器 (DSP) 或微处理器。^{这种称为 I 2} S 的数字音频编码方案在许多情况下无需 ADC 或编解码器。

MEMS麦克风有哪些优势？

MEMS 是一种新的制造技术，它允许制造额外的模拟和数字电路（前置放大器等）并将其放置在与麦克风换能器相同的封装中。这带来了几个优点：

• 首先，彼此靠近的电路元件表现出非常匹配的性能特征，包括温度稳定性——这是使用阵列的应用中的一个重要规范。
• 其次，更小的 MEMS 麦克风封装更容易被“拾取和放置”PCB 安装机处理，同时还需要更少的电路板空间，最终转化为制造过程中的成本节约。

另外，虽然数字 MEMS 麦克风本质上是抗噪声的，但模拟 MEMS 麦克风具有输出阻抗低的优势，这使得它们不太容易受到不需要的电噪声的干扰。MEMS 麦克风还对外部机械振动和 PCB 制造过程中回流焊时出现的极端温度变化具有高度耐受性。

 

什么是 ECM？

ECM的工作原理与 MEMS 麦克风相似，但构造不同。它由一个驻极体隔膜组成，该隔膜通过气隙电介质与拾波板隔开，它们共同充当一个固定的存储电荷电容器（图 5）。

图 5：典型 ECM 的内部结构（图片：CUI Devices）

ECM是如何工作的？

声波使驻极体振膜振动，从而改变电容 (ΔC)。由于存储的电荷 (Q) 是固定的，因此电容器两端的电压必须根据等式 ΔV = Q/ΔC 响应膜片的振动而变化 (ΔV)。这就是它将声音转换为电能的方式。电压信号被发送到 JFET 晶体管（也安装在麦克风外壳内）的栅极，该晶体管与外部负载电阻器和隔直电容器一起用作共源放大器（图 6）。

图 6：典型 ECM 示意图（图片：CUI Devices）

ECM 的优点是什么？

ECM 可以通过多种方式连接到应用电路，从而为系统设计人员提供了极大的灵活性。连接选项包括电线、引脚、焊盘、SMT 和弹簧触点。尽管在大多数情况下它们在物理上比 MEMS 麦克风大，但这种明显的缺点实际上为它们提供了它们的主要优势之一，即在存在环境水分和灰尘的情况下的性能。

因此，ECM 通常具有比 MEMS 麦克风更高的防护 (IP) 等级。它们还可以在很宽的电压范围内工作，这在电源调节不佳的应用中是一个优势。

我应该选择哪一个——MEMS 或 ECM？

由于其小尺寸、抗电噪声和机械稳健性，MEMS 麦克风正变得越来越流行。但是，这并不意味着它们是每个应用程序事实上的最佳选择。许多遗留应用程序可能会受益于对其当前 ECM 的简单更改或升级。除了出色的 IP 等级使它们能够在恶劣的环境中表现良好之外，ECM 的内在特性也使它们成为受益于降噪或单向性应用的绝佳选择。

如果对设计的空间限制特别严重（例如智能手机、可穿戴设备、助听器植入物等），或者可能需要在整个设备中分布多个麦克风（例如在 VR 耳机中）例如）那么 MEMS 可能是更好的选择。

相反，如果优先考虑提高性能或对具有挑战性的操作条件的恢复能力，那么 ECM 可能被证明是更合适的途径。因此，专业音频设备、语音控制的家庭助理、语音识别系统和其他广泛的应用将继续依赖这些设备。

通过与全面了解 ECM 和 MEMS 麦克风的特性以及各自优势的公司合作，可以做出最佳选择。

关于作者：

凭借对 CUI Devices 产品的广泛了解，Ryan Smoot 在该领域为客户提供广泛的技术和应用支持能力。他对 CUI Devices 强大的 CAD 模型库的管理进一步为工程师提供了简化产品设计的宝贵资源。当他不协助客户时，Ryan 喜欢跑步、户外活动以及与妻子和两个孩子共度时光。

审核编辑 黄昊宇