MEMS 與 ECM 麥克風技術的比較

從穿戴式裝置到家庭助理，生活中有越來越多裝置利用麥克風來準確捕捉幾乎任何聲音。麥克風結構中最常用到的兩種技術，分別是微機電系統 (MEMS) 以及駐極體電容式 (ECM)，這兩種技術都有非常多樣的應用。本文將檢視這兩種技術的基礎知識，比較其不同之處，並介紹各自的優點。

MEMS 麥克風

MEMS 麥克風是將 MEMS 元件配置於印刷電路板 (PCB) 上，並且由機械外蓋保護的裝置。殼體上具有經機械加工的小孔，能夠讓聲音進入。孔洞的位置定義麥克風的類型，若孔位於頂蓋，麥克風為頂部端口式；若位於 PCB 板，則為底部端口式。MEMS 元件通常具有機械隔膜，以及在半導體晶粒上的安裝結構。

圖 1：典型頂部端口式 MEMS 麥克風結構。(圖片來源：Same Sky)

MEMS 隔膜會形成電容，而聲壓波會造成隔膜移動。一般來說，MEMS 麥克風內都會有第二個半導體晶粒，作為音訊前置放大器，將 MEMS 不斷變化的電容量轉換為電氣訊號。若希望取得類比輸出訊號，可提供音訊前置放大器的輸出給使用者。但是，如果需要數位輸出訊號，這個晶粒上也整合有類比數位轉換器 (ADC)，作為音訊前置放大器。MEMS 麥克風的數位編碼採用脈衝密度調變 (PDM) 作為慣用格式，因此只需一條數據線與一個時脈即可進行通訊。此外，由於數據以單位元編碼，因此在接收器處的數位訊號也更容易進行解碼。

圖 2：左：類比式 MEMS 麥克風的應用線路圖。右：數位式 MEMS 麥克風的應用線路圖 (圖片來源：Same Sky)

駐極體電容式麥克風

駐極體電容式麥克風 (ECM) 的結構如圖 3 所示。

圖 3：駐極體電容式麥克風的基本結構 (圖片來源：Same Sky)

在 ECM 中，駐極體隔膜是具有固定表面電荷的材料，置放於導電板附近，而且與 MEMS 麥克風一樣，利用氣隙形成介電質，產生電容。聲壓波會推動駐極體隔膜，使電容值改變，進而使電容兩端的電壓改變：ΔV = Q/ ΔC (Q = 固定電荷)。電容電壓的變動由麥克風外罩內的 JFET 進行放大和緩衝。JFET 通常採用共源極配置，外部應用電路則含有外部負載電阻以及 DC 阻隔電容。

圖 4：ECM 的應用線路圖 (圖片來源：Same Sky)

優點與取捨

在 ECM 與 MEMS 麥克風之間進行選擇時，有很多因素需要納入考量。較新式的 MEMS 麥克風技術提供許多優點，使得此技術的市占率快速攀升。例如，若要尋找適用於有限空間的解決方案，人們會較偏好 MEMS 麥克風，因為其封裝尺寸很小，而且麥克風組件中同時納入類比與數位電路，因此能縮小 PCB 面積並降低元件成本。

此外，類比式 MEMS 麥克風的輸出阻抗相對較低，搭配來自數位式 MEMS 麥克風的輸出，相當適合具有電氣雜訊的環境。同樣地，在高震動環境中使用 MEMS 麥克風技術，能夠降低機械震動所產生的惱人雜訊量。半導體結構技術加上音訊前置放大器，讓製造商更能製造出效能特性緊密相配、具有溫度穩定性的 MEMS 麥克風，這種產品因此也相當適合用於多重麥克風陣列應用。在製造過程中，MEMS 麥克風也能夠耐受迴流焊接溫度形態。

雖然 MEMS 麥克風強勢崛起，但駐極體電容式麥克風 (ECM) 仍適用於許多應用。許多舊式設計都採用 ECM，因此繼續使用 ECM 進行簡單的設計升級，對工程師來說可能是最容易的解決方案。ECM 端接類型眾多，包含電線、引腳、焊接墊、SMT 及彈簧觸點，因此也為設計人員提供更高的安裝彈性。當環境中有粉塵與濕氣的問題時，則可以輕鬆採用具有高侵入防護等級 (IP) 的 ECM 解決方案，因為這種產品的尺寸比較大。而且，在需要非一致性空間靈敏度的應用中，ECM 產品能夠提供單向或抗噪指向性。這種產品的運作電壓相當廣，因此也相當適合寬調節的電壓軌應用。

選擇正確的麥克風

最後，專案本身的限制也會決定應選擇哪一種麥克風技術。MEMS 麥克風具有相當多固有的優勢，因此越來越受歡迎。雖然這是眾所皆知的事，但 ECM 因為具有多種封裝及指向性選擇，因此在許多應用中仍然受到倚重。倘若先不論提供的技術選擇多寡，電子元件製造商 Same Sky 持續開發並提供多種麥克風產品，能為您提供更大的彈性，更加滿足您的音訊需求。