麥克風種類繁多,包括動圈式、電容式、鋁帶式、碳精式(碳粒式)等等;在行動應用中,又以駐極體(ECM)電容麥克風和微機電(MEMS)麥克風最為常見。然而據瞭解,MEMS麥克風外形較小,與駐極體麥克風相比,具有更強的耐熱、抗振和抗射頻干擾性能。因此,MEMS麥克風可以採用全自動表面黏著(SMT)製程,而大多數駐極體麥克風則需要手工焊接,這不僅可簡化生產流程、降低生產成本,而且能夠提供更高的設計自由度和系統成本優勢。

在MEMS麥克風中,又分為電容式和壓電式兩種。壓電式比電容式更新。日前,EDN聽到有傳聞說,對於功耗敏感型應用,壓電式MEMS麥克風更優,因為其可以僅透過聲音喚醒(壓電效應)。那麼,今天EDN就為大家「捋一捋」,壓電式MEMS麥克風與電容式MEMS麥克風相比都有哪些優勢。

據瞭解,壓電技術的主要優勢是堅固耐用,不受環境影響,而電容技術存在性能隨時間下降的問題——在電容式MEMS麥克風中,如果在振膜和背板之間有顆粒物污染,麥克風的性能將會改變。

壓電MEMS麥克風的另一個優勢是訊號雜訊比更高——目前根據已知的方法,可以獲得超過75dB的訊號雜訊比,理論上甚至可以超過80dB。

麥克風的訊號雜訊比是設計語音系統的瓶頸。目前使用的演算法非常複雜,而如果能夠提供更好的資料,演算法就會變得更加有效。在這類應用中,麥克風需要達到90dB的訊號雜訊比,否則同質化現象嚴重,無法實現更高利潤。目前,電容式麥克風的訊號雜訊比最高達到70dB。但是,要實現這樣的訊號雜訊比,需要使用4個MEMS振膜,因此麥克風的封裝尺寸將會很大;而壓電式MEMS麥克風要實現同樣的訊號雜訊比只需要使用一個振膜。同時這也說明,電容技術可能已達極限。

未來十年內,語音交互將成為智慧家居當中互聯網與設備的主要交互介面。而在這樣的環境中,環境雜訊可能介於70%到大於95%之間,因此,要實現精確的語音辨識,就需要使用MEMS麥克風陣列。壓電式MEMS麥克風可用於室內、戶外、煙霧繚繞的廚房等各種環境,這個特性對於大型語音控制與監控MEMS麥克風陣列來說非常關鍵——在這樣的環境中,MEMS麥克風陣列的可靠性會是主要問題。

此外,電容式麥克風系統需要持續監聽「Alexa」或「Siri」等關鍵字,而壓電式麥克風則沒有電荷泵,因此具有非常短的啟動時間——壓電式MEMS麥克風能夠利用壓電元件自身產生的能量來啟動麥克風。換句話說,壓電式MEMS麥克風可以處於「永久監聽」模式,其工作迴圈週期非常快,能夠降低90%的系統能耗。

據知,最新款的壓電式MEMS麥克風在實現喚醒和監聽聲音功能時,僅會消耗3μA的電能。這比電池自然放電的能耗還要低得多,未來還可望實現無功耗的語音感測,從而使更多的應用成為可能。

壓電式MEMS麥克風優勢總結

  1. 訊號雜訊比產業界最高,達70dB,而且還可以提高,而傳統的電容式技術已經到頂,必須多膜片疊加才能實現,導致成本高,不可靠。此指標的好處是可以錄製很微弱的訊號,分兩個層面:一是近處的小訊號,比如悄悄話;二是遠處的大聲音(傳遞到麥克風處訊號變弱,比如50公尺開外兩個人吵架訊號非常微弱),因此適合遠距離採集。

  2. 防水等級最高達到IPX8 (傳統的電容式MEMS和駐極體都不防水,需要加防水罩子才可以),這對於助聽器行業是「剛需」——目前的助聽器都是加裝罩子來防止汗水的進入,從而避免跑步或者走路皮膚出汗的影響。

  3. 不怕灰塵,因此麥克風模組廠/終端客戶(比如手機客戶)的加工生產線要求不高,回流焊的錫膏/松香受熱蒸發不會造成品質降級。製程簡單、減少返工,這一點主要是針對膜片抖動的有效性來講,就好比人耳的耳道用棉花堵住,耳膜(等同於MEMS膜)所收到的聲音訊號的壓力變小或者消失,就會聽不到聲音或者聽不清楚。

  4. <100μs的快速啟動時間,即一上電就馬上有訊號。這對於現在的雲端語音辨識很有幫助——訊號來回傳遞的時間縮小,用戶滿意度得到提升。壓電式麥克風的啟動時間現在可做到電容式麥克風的1/1000。

  5. 靈敏度公差在1dB以內,而且是天生就是這樣,不是透過熔斷ASIC的內部電路來實現的,更不是透過篩選製造出來的成品來實現的,駐極體麥克風誤差在3dB, 電容式矽麥克風在1~3dB不等,所以客戶的產品一致性就非常高,不會出現有的產品錄製聲音有的大、有的小。

  6. 支援單端和差分輸出。

  7. 電源抑制比(PSRR)比傳統的高30dB。這個是核心指標,不好的話就相當於打桌上電話時聽到的「吱吱聲」干擾。其原因是ASIC不需要充電泵電路來升壓,電容式麥克風則不然。

  8. MEMS感測器部分的聲學超載點(AOP)可以達到150dB的最大聲壓級,但由於ASIC是限制,成品規格書一般只聲稱125dB。此指標越大越好,能夠承受風、小孩尖叫、演唱會、足球場粉絲尖叫、關車門等不同場合的大聲壓級。

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駐極體、電容式MEMS和壓電式MEMS麥克風規格對比。
(VM1001即Vesper公司壓電式麥克風;來源: Vesper)

(本文為EDN China原創文章)