MEMS传声器和驻极体电容(ECM)传声器对比

2019年1月8日 作者:Bruce Rose

MEMS传声器和驻极体电容(ECM)传声器对比

也许您还记得几年前的营销活动中有这么一句话:“现在能听到了吗?” 今天设计的设备,从可穿戴设备到家庭辅助设备,都越来越多地被要求“聆听”环境。设备采用合适的传声器能够准确地捕捉几乎任何声音,而构建传声器时最常用的两种技术是MEMS和驻极体电容技术。虽然这两种技术的工作原理类似,但在很多用例中仍需在这两者之中作出选择。考虑到这一点,我们将回顾MEMS和驻极体电容传声器的基本原理,比较两种技术之间的区别,并概括每种解决方案的优势。

MEMS传声器基本原理

MEMS传声器采用置于印刷电路板(PCB)并以机盖防护的MEMS(微机电系统)组件构建而成。在外壳上制作小孔,便于声音进入传声器,孔位于顶盖的叫作顶部端口型号,而孔位于PCB内部的叫作底部端口型号。MEMS组件设计通常会在半导体晶圆上构造机械振膜和安装结构。

MEMS传声器构造图
常见MEMS传声器构造

MEMS振膜形成一个电容器,而声压波则会引起振膜的运动。MEMS传声器通常含有另一个半导体晶圆,用作音频前置放大器,将MEMS的变化电容转换为电信号。如果用户需要模拟输出信号,可为其提供音频前置放大器的输出。如果用户需要数字输出信号,就在与音频前置放大器所处的同一晶圆上加入模数转换器(ADC)。MEMS传声器中数字编码采用的通用格式是脉冲密度调制(PDM),可以只和一个时钟和一条单独的数据线通信。数据采用单比特编码,从而简化了接收器中数字信号的解码。

图中比较了模拟和数字MEMS传声器的应用原理图
左:模拟MEMS传声器应用原理图(右):数字MEMS传声器应用原理图

驻极体电容传声器基本原理

驻极体电容传声器 (ECM)的构造如下图所示。

驻极体电容传声器构造图
驻极体电容传声器常见构造

驻极体振膜(具有固定表面电荷的材料)靠近导电板隔开放置,并且和MEMS传声器相似,也会形成一个电容器,以气隙作为电介质。通过电容器的电压随着电容值的变化而变化,而电容的变化是由移动驻极体振膜的声压波引起的,ΔV= Q /ΔC。电容器电压变化由传声器外壳包覆的JFET进行放大和缓冲。JFET通常采用共源配置,而外部应用电路则采用外部负载电阻和隔直电容。

图中显示驻极体电容应用的原理图
ECM应用原理图

不同传声器技术的区别

在ECM和MEMS传声器之间进行选择时需要考虑许多因素。MEMS传声器这种新技术拥有诸多优势,因而市场份额持续快速增长。例如,空间受限的应用会发现MEMS传声器的小封装尺寸具有吸引力,而由于MEMS传声器结构中兼具模拟和数字电路,所以能够同时降低PCB面积和组件成本。模拟MEMS传声器的输出阻抗相对较低,而数字MEMS传声器的输出非常适合电噪声环境中的应用。在高振动环境中使用MEMS传声器技术可以降低机械振动引起的有害噪声水平。此外,采用半导体制造技术并且加入音频前置放大器之后,使得制造具有紧密匹配和温度稳定性能特征的MEMS传声器成为可能。在将MEMS传声器用于阵列应用时,这些要求严苛的性能特性尤其具有优势。在产品制造过程中,MEMS传声器也可以通过拾取和放置机器进行轻松搬运,并且可以耐受回流焊接温度曲线。

尽管MEMS传声器正在迅速普及,但仍存在优先选用驻极体电容传声器的应用。许多传统设计都采用了ECM,因而如果项目是对现有设计的简单升级,则最好继续使用ECM。可以选用引脚、电线、SMT、焊盘和弹簧触点将ECM连接到应用电路,从而为工程师提供了额外的设计灵活性。如果需要防尘和防潮,则具有高异物防护(IP)等级的ECM产品由于自身物理尺寸较大,所以更容易被发现。对于需要不均匀空间灵敏度的项目,ECM产品具备固有的取向,可以是单向型也可以是噪声消除型,而ECM的工作电压范围广,所以对于具有松散调节电压轨的产品而言,可能是首选解决方案。

为您的项目选择合适的传声器技术

决定使用驻极体电容传声器还是MEMS传声器取决于您的项目要求。虽然MEMS传声器由于具有众多内在优势而持续普及,但由于ECM具有更广泛的封装和方向选择,所以仍可用于各种应用。无论选择哪种技术,CUI都会不断开发和供应形形色色的传声器和产品,帮助您的项目“聆听”需要听到的声音。

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Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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