半個(gè)世紀(jì)以來，駐極體電容式麥克風(fēng)（ECM）主導(dǎo)了麥克風(fēng)市場(chǎng)。在這段時(shí)間，它們廣泛應(yīng)用在固定電話（尤其是1980/1990年代）、助聽器、頭戴式耳機(jī)、GPS設(shè)備、數(shù)字錄音機(jī)、移動(dòng)電話和家庭無線電服務(wù)（FRS）雙向無線電，并可滿足語音識(shí)別和VoIP等應(yīng)用的需求。但是，隨著系統(tǒng)變得越來越小，越來越薄，也需要體積更小，更加緊湊的ECM，這對(duì)其信噪比（SNR）產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。此外，ECM的性能、可重復(fù)性和溫度穩(wěn)定性也都受到挑戰(zhàn)。即使是相同型號(hào)和相同設(shè)計(jì)的ECM，其靈敏度也可能在工作溫度范圍內(nèi)變化很大。它們?cè)诘皖l和高頻端的響應(yīng)也呈現(xiàn)出明顯的差異。
與ECM相比，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）麥克風(fēng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它們具有更高的SNR、更低功耗、更高的靈敏度和更強(qiáng)的抗振性，同時(shí)還具有更小的封裝，從而節(jié)省了電路板面積。此外，它們與當(dāng)代安裝裝配工藝完全兼容。但ECM卻不適合與這些。
MEMS的需求超過ECM
盡管MEMS麥克風(fēng)是在上世紀(jì)80年代問世，但直到五六年前，它們的產(chǎn)量才超過ECM。智能手機(jī)和虛擬個(gè)人助理（VPA）智能揚(yáng)聲器等消費(fèi)市場(chǎng)的巨大需求推動(dòng)了它們的出貨量增長(zhǎng)。如果看一下這些產(chǎn)品中麥克風(fēng)的數(shù)量，就可以很好地了解這個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模。iPhone 6s、6s+、7、7+和8分別配備有四個(gè)MEMS麥克風(fēng)，而Samsung Galaxy Note 8和9每個(gè)都有兩個(gè)MEMS麥克風(fēng)。三星Galaxy Home智能揚(yáng)聲器具有8個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)MEMS麥克風(fēng)，亞馬遜的Echo具有7個(gè)方向性遠(yuǎn)場(chǎng)麥克風(fēng)陣列。雖然大多數(shù)可穿戴設(shè)備（例如智能手表等）都具有一個(gè)MEMS麥克風(fēng)，但是相對(duì)較新的可聽設(shè)備每對(duì)往往至少具有四個(gè)麥克風(fēng)，因?yàn)橄翊蠖鄶?shù)具有主動(dòng)降噪功能的耳機(jī)或頭戴式耳機(jī)一樣，每側(cè)都有第二個(gè)麥克風(fēng)（用于拾取環(huán)境噪聲并加以消除）。
根據(jù)市場(chǎng)研究咨詢機(jī)構(gòu)Yole Development的數(shù)據(jù)，到2022年，MEMS麥克風(fēng)、ECM、微型揚(yáng)聲器和音頻IC的全球市場(chǎng)總量將達(dá)到200億美元，其中MEMS麥克風(fēng)約占14億美元。相反，ECM市場(chǎng)收入和出貨量在同一時(shí)期的復(fù)合年增長(zhǎng)率分別為-7.5％和-2.6％。
IHS Markit預(yù)測(cè)，到2021年，全球MEMS麥克風(fēng)的市場(chǎng)收入將攀升至15億美元（相當(dāng)于約66億個(gè)出貨量）。ResearchandMarkets的預(yù)測(cè)更為樂觀，隨著更多與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和汽車系統(tǒng)相關(guān)的新應(yīng)用機(jī)會(huì)不斷出現(xiàn)，預(yù)計(jì)MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)到2024年將增長(zhǎng)至29億美元。
ECM份額下降但并沒有出局
ECM尚未被市場(chǎng)排除在外，制造商已經(jīng)在針對(duì)SNR改進(jìn)設(shè)計(jì)，并增強(qiáng)其防塵和防潮等方面特性。例如，PUI Audio的高清ECM具有高靈敏度和出色的SNR，這些高清麥克風(fēng)采用高級(jí)FET和膜片設(shè)計(jì)，并集成了GSM阻蜂鳴聲電容器（buzz-blocking capacitor）。它們能夠在20Hz～20kHz的頻率范圍內(nèi)保持其保真度，從而使其適用于醫(yī)療、汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。CUI公司提供的防水型ECM防護(hù)等級(jí)分為IP57、IP65和IP67。這些直徑為4mm的全向麥克風(fēng)具有引線和端點(diǎn)安裝配置，工作頻率高達(dá)20kHz，靈敏度等級(jí)最優(yōu)達(dá)-42dB，SNR從57dBA到70dBA。
圖1：CUI的防水ECM。
用語音控制未來
隨著MEMS麥克風(fēng)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)語音識(shí)別（ASR）的顯著改進(jìn)使人們能夠采用虛擬個(gè)人助理（例如Siri。Alexa、Cortana和Google Assistant）進(jìn)行更多的對(duì)話交互，這為智能家居中的語音控制接口鋪平了道路。
圖2：TDK的InvenSense ICS-40730。
TDK的InvenSense ICS-40730是專為家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、智能手機(jī)、電話會(huì)議設(shè)備、安全/監(jiān)視系統(tǒng)和其他語音控制/激活應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款低噪聲、底部端口、差分模擬輸出型MEMS麥克風(fēng)。該器件包含一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器和一個(gè)差分輸出放大器，具有高達(dá)74dBA的SNR，靈敏度為-32dBV（差分）和-38dBV（單端），124dB聲壓級(jí)（SPL）聲過載點(diǎn)（AOP），-77dBV的電源抑制（PSR）以及±2dB的靈敏度公差等特性。
同時(shí)，InvenSense ICS-40212模擬MEMS麥克風(fēng)具有很高的動(dòng)態(tài)范圍和低功耗“AlwaysOn（不斷電）”模式，適用于可穿戴設(shè)備、IoT硬件和智能手機(jī)等應(yīng)用。該器件可提供一種低功耗模式，當(dāng)電源電壓低于2V時(shí)將低功耗模式啟動(dòng)，并在55?A電流和123dB SPL AOP條件下工作。它采用3.5mm x 2.65mm x 0.98mm底部端口表面貼裝封裝，具有嚴(yán)格的±1dB靈敏度容差和擴(kuò)展的頻率響應(yīng)（35Hz～20kHz）。
意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的MP34DTx系列 采用頂部端口，具備EMI屏蔽的HCLGA封裝設(shè)計(jì)，是一種緊湊型、低功耗、全向MEMS數(shù)字麥克風(fēng)。這些低失真組件具有64dB SNR，122.5dB SPL AOP和-26dBFS±3dB的靈敏度。每個(gè)組件都具有采用CMOS工藝制造的IC接口，從而簡(jiǎn)化了專用信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。
圖3：英飛凌基于MEMS技術(shù)的XEN SIV麥克風(fēng)。
英飛凌（Infineon）的IM69D120和IM69D130 XENSIV全向MEMS麥克風(fēng)適用于要求低內(nèi)部噪聲（即高SNR）、寬動(dòng)態(tài)范圍和低失真的應(yīng)用，其目標(biāo)應(yīng)用包括家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、智能揚(yáng)聲器、IoT硬件等領(lǐng)域。這些麥克風(fēng)具有脈沖密度調(diào)制（PDM）輸出，70dB的SNR和105dB的動(dòng)態(tài)范圍以及130dB的SPL AOP。
圖4：Knowles的SP SiSonic MEMS硅麥克風(fēng)。
Knowles的SP SiSonic系列是為滿足智能手機(jī)、筆記本電腦和各種其他便攜式設(shè)備而開發(fā)的MEMS硅麥克風(fēng)，這些目標(biāo)應(yīng)用需要寬帶音頻性能和射頻抗擾性。SP SiSonic是一款高性能，低功耗MEMS麥克風(fēng)，這些緊湊型、底部端口器件集成有聲學(xué)傳感器、低噪聲輸入緩沖器以及Σ-Δ（sigma-delta）調(diào)制器或輸出放大器，并提供多種性能模式（睡眠、低功耗、標(biāo)準(zhǔn)等）。
壓電技術(shù)：下一代MEMS麥克風(fēng)
業(yè)界對(duì)更高信噪比以及更高可靠性和耐用性的需求導(dǎo)致壓電MEMS麥克風(fēng)的開發(fā)，這些技術(shù)都是由英國(guó)的Vesper Technologies率先推出。該公司的VM1000全向壓電MEMS麥克風(fēng)具有單端模擬輸出，擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍和強(qiáng)大的SNR值（1kHz時(shí)為94dB SPL）。該麥克風(fēng)采用防水（IP57級(jí)）、防塵、防顆粒和防震封裝，具有非常穩(wěn)定的性能。它以3.76mm x 2.95mm x 1.1mm封裝尺寸提供，用戶能夠從房間的另一側(cè)進(jìn)行錄音，具有出色的環(huán)境噪聲消除和“音頻縮放”功能，錄音時(shí)具有更準(zhǔn)確的聲音選擇。
具有底部端口的 VM1010壓電MEMS麥克風(fēng)可為許多不同的電池供電智能設(shè)備提供語音激活。它在聆聽模式下僅消耗10?A的電流，通過利用與之直接接觸的聲能，該麥克風(fēng)能夠使周邊系統(tǒng)從完全斷電模式激活。憑借非常堅(jiān)固的架構(gòu)，此麥克風(fēng)具備可由用戶定義的響度閾值，因而能定制語音激活機(jī)制以適合所需的距離，并且還可考慮應(yīng)用環(huán)境的特定背景噪聲特征。當(dāng)周圍環(huán)境安靜時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗“聲音喚醒”模式，從而可以節(jié)省電池能源。