压电式MEMS麦克风与电容式相比有哪些优势？

shuszhao · 发表于 2019-11-9 10:56:42

在MEMS麦克风中，又分为电容式和压电式两种。压电式比电容式更新。日前，EDN听到有传闻说，对于功耗敏感型应用，压电式MEMS麦克风更优，因为其可以仅通过声音唤醒（压电效应）。那么，今天EDN就为大家捋一捋，压电式MEMS麦克风与电容式MEMS麦克风相比都有哪些优势。

麦克风种类繁多，包括动圈式、电容式、铝带式、碳精式等等，在移动应用中，又以驻极体（ECM）电容麦克风和微机电（MEMS）麦克风最为常见。然而，据了解，MEMS麦克风外形较小，与驻极体麦克风相比，具有更强的耐热、抗振和抗射频干扰性能。因此，MEMS麦克风可以采用全自动贴片（SMT）生产工艺，而大多数驻极体麦克风则需要手工焊接。这不仅可简化生产流程，降低生产成本，而且能够提供更高的设计自由度和系统成本优势。
在MEMS麦克风中，又分为电容式和压电式两种。压电式比电容式更新。日前，EDN听到有传闻说，对于功耗敏感型应用，压电式MEMS麦克风更优，因为其可以仅通过声音唤醒（压电效应）。那么，今天EDN就为大家捋一捋，压电式MEMS麦克风与电容式MEMS麦克风相比都有哪些优势。
据了解，压电技术的主要优势是坚固耐用，不受环境影响，而电容技术存在性能随时间下降的问题——在电容式MEMS麦克风中，如果在振膜和背板之间有颗粒物污染，麦克风的性能将会改变。
压电MEMS麦克风的另一个优势是信噪比更高——目前根据已知的方法，可以获得超过75dB的信噪比，理论上甚至可以超过80dB。
麦克风的信噪比是设计语音系统的瓶颈。目前使用的算法非常复杂，而如果能够提供更好的数据，算法就会变得更加有效。在这类应用中，麦克风需要达到90dB的信噪比，否则同质化现象严重，无法实现更高利润。目前，电容式麦克风的信噪比最高达到70dB。但是，要实现这样的信噪比，需要使用4个MEMS振膜，因此麦克风的封装尺寸将会很大。而压电式MEMS麦克风要实现同样的信噪比，只需要使用一个振膜。同时，这也说明，电容技术可能已达极限。
未来十年内，语音交互将成为智能家居当中互联网与设备的主要交互接口。而在这样的环境中，环境噪声可能介于70%到大于95%之间，因此，要实现精确的语音识别，就需要使用MEMS麦克风阵列。压电式MEMS麦克风可用于室内、户外、烟雾缭绕的厨房等各种环境，这个特性对于大型语音控制与监控MEMS麦克风阵列来说非常关键——在这样的环境中，MEMS麦克风阵列的可靠性会是主要问题。
此外，电容式麦克风系统需要持续监听“Alexa”或“Siri”等关键词，而压电式麦克风则没有电荷泵，因此具有非常短的启动时间——压电式MEMS麦克风能够利用压电元件自身产生的能量来启动麦克风。换句话说，压电式MEMS麦克风可以处于“永久监听”模式，其工作循环周期非常快，能够降低90%的系统能耗。据知，最新款的压电式MEMS麦克风在实现唤醒和监听声音功能时，仅会消耗3µA的电能。这比电池自然放电的能耗还要低得多。未来还有望实现无功耗的语音传感，从而使更多的应用成为可能。

压电式MEMS麦克风优势总结

1. 信噪比行业最高，达70dB，而且还可以提高，而传统的电容式技术已经到顶，必须多膜片叠加才能实现，导致成本高，不可靠。此指标的好处是可以录制很微弱的信号，分两个层面：1. 近处的小信号，比如悄悄话；2. 远处的大声音（传递到麦克风处信号变弱，比如50米开外两个人吵架信号非常微弱），因此适合远距离采集。
2. 防水等级最高达到IPX8（传统的电容式MEMS和驻极体都不防水，需要加防水罩子才可以），这对于助听器行业是刚需——目前的助听器都是加装罩子来防止汗水的进入，从而避免跑步或者走路皮肤出汗的影响。
3. 不怕灰尘，因此麦克风模块厂/终端客户（比如手机客户）的加工车间要求不高，回流焊的锡膏/松香受热蒸发不会造成质量降级。工艺简单，减少返工，这一点主要是针对膜片抖动的有效性来讲，就好比人耳的耳道用棉花堵住，耳膜（等同于MEMS膜）所收到的声音信号的压力变小或者消失，就会听不到声音或者听不清楚。
4. <100μs的快速启动时间，即一上电就马上有信号。这对于现在的云端语音识别很有帮助——信号来回传递的时间缩小，用户满意度得到提升。压电式麦克风的启动时间现在可做到电容式麦克风的1/1000。
5. 灵敏度公差在1dB以内，而且是天生就是这样，不是通过熔断ASIC的内部电路来实现的，更不是通过筛选制造出来的成品来实现的，驻极体麦克风误差在3dB，电容式硅麦克风在1-3dB不等，所以客户的产品一致性就非常高，不会出现有的产品录制声音有的大，有的声音小。
6. 支持单端和差分输出。
7. 电源抑制比（PSRR）比传统的高30dB。这个是核心指标，不好的话就相当于打座机时听到的“吱吱声”干扰。其原因是ASIC不需要充电泵电路来升压，电容式麦克风则不然。
8. MEMS传感器部分的声学过载点（AOP）可以达到150dB的最大声压级，但由于ASIC是限制，成品规格书一般只声称125dB。此指标越大越好，能够承受风、小孩尖叫、演唱会、足球场粉丝尖叫、关车门等不同场合的大声压级。

驻极体、电容式MEMS和压电式MEMS麦克风规格对比（注：VM1001即Vesper公司压电式麦克风）。图片来源：Vesper