不久前，当你看到有人对着冰箱或电烤箱说话时，你可能会想，他们是不是工作太累了，需要休假。令人难以置信的是，这正迅速成为一种日常现象，不再受到质疑或引起奇怪的目光。语音正在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。为此，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势，然后考虑在为不同的应用选择它们时应该注意什么。
什么是MEMS麦克风？
MEMS是一个术语，用于描述高度小型化的组件和系统，这些组件和系统位于使用半导体制造工艺制造的芯片上。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麦克风由一个带小孔的保护性金属外壳组成，声音可以进入外壳。在“底部端口”版本中，声音通过PCB上的孔从下方进入外壳。
图2:2:MEMS麦克风的内部结构(图片：CUI Devices)
MEMS麦克风是如何工作的？
MEMS麦克风包含一个将声音转化为电能的传感器。传感器由一个隔膜组成，隔膜作为存储电压的电容器。进入外壳的声波将导致隔膜振动，从而改变存储在电容器中的电压。这种微小的可变电信号被检测并发送到音频前置放大器，使其足够大，以便进行进一步的模拟处理(图3)或使用模数转换器(ADC)将其转换为数字格式——放大器和ADC通常与传感器位于不同的芯片上。
图3:模拟MEMS的原理图(图片：CUI Devices)
脉冲密度调制(PDM)是传输数字音频的常用编码方案，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示意图(图片：CUI器件)
在其他MEMS版本中，音频信号直接在麦克风外壳中通过抽取滤波器进行滤波和处理，因此可以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不需要ADC或编解码器。
MEMS麦克风有什么优势？
MEMS是一种新的制造技术，它允许附加的模拟和数字电路(前置放大器等)。)被制造并放置在与麦克风换能器相同的封装中。这带来了几个好处：
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重要规格。其次，更小的MEMS麦克风封装更容易由“取放式”PCB安装人员处理，同时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。此外，虽然数字MEMS麦克风本身具有抗噪声能力，但模拟MEMS麦克风具有低输出阻抗的优势，因此不容易受到有害电噪声的影响。MEMS麦克风对外部机械振动和PCB制造过程中回流焊的极端温度变化也有很强的抵抗力。
什么是ECM？
ECM的工作原理和MEMS麦克风类似，只是结构不同。它由一个驻极体振膜组成，通过气隙电介质与检测板隔开，两者共同充当固定的存储电荷电容(图5)。
图5:典型ECM的内部结构(照片：CUI设备)
ECM是如何工作的？
声波使驻极体振膜振动，从而改变电容( c)。由于存储的电荷(q)是固定的，电容两端的电压必须根据等式V=q/c响应膜片的振动而变化(V ),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中)的栅极，该晶体管与外部负载电阻和DC隔直电容一起用作共源放大器(图6)。
图6:典型ECM示意图(图片：CUI设备)
ECM有什么优势？
ECM可以多种方式连接到应用电路，这为系统设计人员提供了极大的灵活性。连接选项包括导线、引脚、焊盘、SMT和弹簧触点。虽然在大多数情况下，它们的物理尺寸比MEMS麦克风大，但这一明显的缺点实际上为它们提供了一个主要优势，即它们在存在环境湿气和灰尘的情况下的性能。
因此，ECM通常比MEMS麦克风具有更高的防护(IP)级别。它们还可以在较宽的电压范围内工作，这在功率调节较差的应用中是一个优势。
我应该选择哪个——MEMS或ECM？
MEMS麦克风因其尺寸小、抗电噪声和机械强度而越来越受欢迎。然而，这并不意味着它们实际上是每个应用程序的最佳选择。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等级之外，它们还可以在恶劣的环境中表现出色，ECM的固有特性也使它们成为受益于降噪或单向应用的绝佳选择。
如果对设计的空间限制特别苛刻(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(比如在VR耳机中)，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挑战性操作条件的适应能力，ECM可能是更合适的方法。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于这些设备。
通过与充分了解ECM和MEMS麦克风特性和优势的公司合作，可以做出最佳选择。
关于作者：
凭借对CUI设备产品的广泛了解，Ryan Smoot在该领域为客户提供了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宝贵的资源来简化产品设计。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。回顾黄浩宇
