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压电式MEMS麦克风与电容式相比有哪些优势?

时间:2019-11-04 作者:赵明灿 阅读:
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。

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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

 

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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