作者：Bruce Rose，CUI Inc.
# 关键词：克风技术,MEMS, ECM, 微机电系统, 驻极体电容式, 声音, 选料
从可穿戴设备到家庭助理，越来越多的设备利用麦克风来准确采集几乎任何声音。麦克风结构中两种最常用的技术是微机电系统(MEMS) 麦克风和驻极体电容式麦克风 (ECM)，每种技术都有无数使用案例。本文将介绍这两种技术的基础知识，然后比较两者的差异，最后简单介绍每种解决方案的优势。
MEMS麦克风
MEMS麦克风的MEMS元件位于印刷电路板 (PCB) 上，并由机械盖提供保护，其外壳上开了一个小孔，以允许声音进入器件。小孔的位置决定了麦克风的类型，如果小孔位于顶盖内，则麦克风称作上置声孔麦克风，如果小孔位于PCB内，则称作下置声孔麦克风。MEMS元件通常配有一个机械振膜，以及一个装在半导体芯片上的安装结构。
图1：典型上置声孔MEMS麦克风结构。（图片来源：CUI Devices）
MEMS振膜形成一个电容器，而声压波会引起振膜运动。一般而言，MEMS麦克风包含一个第二半导体芯片，该芯片充当音频前置放大器，用于将MEMS不断变化的电容转换为电信号。如果首选模拟输出信号，则可向用户提供音频前置放大器的输出。不过，如果需要数字输出信号，则在该音频前置放大器的同一芯片上集成了一个模数转换器 (ADC)。脉冲密度调制 (PDM) 是用于MEMS麦克风数字编码的传统格式，只需一条数据线和一个时钟便可实现通信。此外，由于数据采用单比特编码，在接收器处对数字信号解码也变得更容易。
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 Devices）
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（图片来源：CUI Devices）
在ECM中，驻极体振膜是一种放置在导电板附近，具有固定表面电荷的材料，并且与MEMS麦克风一样，利用形成电介质的气隙来构造电容器。移动驻极体振膜的声压波会引起电容值变化，从而导致电容器两端的电压发生变化，ΔV= Q /ΔC（Q=固定电荷）。电容器电压的这些变化通过麦克风外壳内的JFET进行放大和缓冲。JFET通常采用共源配置设计，这种配置在外部应用电路中配有外部负载电阻和直流阻塞电容器。
图4：ECM应用原理图（图片来源：CUI Devices）
优势与取舍
在ECM或MEMS麦克风之间选择时，需要考虑许多因素。较新的MEMS麦克风技术具有诸多优势，这体现为其市场份额的迅速扩大。例如，对于为空间受限的应用寻找解决方案的设计人员而言，他们更青睐MEMS麦克风，因为这种麦克风不仅封装尺寸小，而且通过在组件内集成模拟和数字电路，缩小了PCB面积并降低了元件成本。
此外，模拟MEMS麦克风的输出阻抗相对较低，搭配数字MEMS麦克风的输出，堪称电噪声环境下的应用首选。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令人讨厌的噪声水平。半导体结构技术配合增加的音频前置放大器，进一步增大了制造出具有紧密匹配和温度稳定性能特征的MEMS麦克风的可能性，而这种麦克风非常适合多麦克风阵列应用。在制造过程中，MEMS麦克风还可以承受回流焊温度曲线。
尽管 MEMS 麦克风日益流行，但驻极体电容式麦克风 (ECM) 仍然是各种应用的可行选择。由于许多传统设计采用的是ECM，因此继续使用ECM进行简单的设计升级，对工程师来说可能是最简单的解决方案。凭借包括电线、引脚、焊盘、SMT和弹簧触点在内的多种端接方式，ECM还为设计人员提供了更多的安装灵活性。如果存在灰尘和湿气问题，则可以轻松采用具有高侵入防护 (IP) 等级的ECM解决方案，因为ECM麦克风的物理尺寸较大。此外，在需要非均匀空间灵敏度的应用中，ECM 产品还具有单向性或消噪指向性。ECM麦克风的大范围工作电压也适用于具有松散稳压电压轨的应用。
选择合适的麦克风
最终选择哪种麦克风技术取决于项目的约束条件。MEMS麦克风因为具有众多的固有优势而日渐流行，这一事实毋庸置疑，但由于ECM产品提供了许多封装和方向性选择，因此仍有大量应用依赖ECM产品。不过除了技术选择之外，电子元件制造商CUI Devices还在不断开发和提供各种麦克风产品，为满足您的音频需求提供了更大的灵活性。
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