半個世紀以來，駐極體電容式麥克風（ECM）主導了麥克風市場。在這段時間，它們廣泛應用在固定電話（尤其是1980/1990年代）、助聽器、頭戴式耳機、GPS設備、數(shù)字錄音機、移動電話和家庭無線電服務（FRS）雙向無線電，并可滿足語音識別和VoIP等應用的需求。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，這對其信噪比（SNR）產(chǎn)生了嚴重影響。此外，ECM的性能、可重復性和溫度穩(wěn)定性也都受到挑戰(zhàn)。即使是相同型號和相同設計的ECM，其靈敏度也可能在工作溫度范圍內(nèi)變化很大。它們在低頻和高頻端的響應也呈現(xiàn)出明顯的差異。
與ECM相比，微機電系統(tǒng)（MEMS）麥克風具有明顯的優(yōu)勢。它們具有更高的SNR、更低功耗、更高的靈敏度和更強的抗振性，同時還具有更小的封裝，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麥克風是在上世紀80年代問世，但直到五六年前，它們的產(chǎn)量才超過ECM。智能手機和虛擬個人助理（VPA）智能揚聲器等消費市場的巨大需求推動了它們的出貨量增長。如果看一下這些產(chǎn)品中麥克風的數(shù)量，就可以很好地了解這個市場的規(guī)模。iPhone 6s、6s+、7、7+和8分別配備有四個MEMS麥克風，而Samsung Galaxy Note 8和9每個都有兩個MEMS麥克風。三星Galaxy Home智能揚聲器具有8個遠場MEMS麥克風，亞馬遜的Echo具有7個方向性遠場麥克風陣列。雖然大多數(shù)可穿戴設備（例如智能手表等）都具有一個MEMS麥克風，但是相對較新的可聽設備每對往往至少具有四個麥克風，因為像大多數(shù)具有主動降噪功能的耳機或頭戴式耳機一樣，每側(cè)都有第二個麥克風（用于拾取環(huán)境噪聲并加以消除）。
根據(jù)市場研究咨詢機構Yole Development的數(shù)據(jù)，到2022年，MEMS麥克風、ECM、微型揚聲器和音頻IC的全球市場總量將達到200億美元，其中MEMS麥克風約占14億美元。相反，ECM市場收入和出貨量在同一時期的復合年增長率分別為-7.5％和-2.6％。
IHS Markit預測，到2021年，全球MEMS麥克風的市場收入將攀升至15億美元（相當于約66億個出貨量）。ResearchandMarkets的預測更為樂觀，隨著更多與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和汽車系統(tǒng)相關的新應用機會不斷出現(xiàn)，預計MEMS麥克風市場到2024年將增長至29億美元。
ECM份額下降但并沒有出局
ECM尚未被市場排除在外，制造商已經(jīng)在針對SNR改進設計，并增強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，這些高清麥克風采用高級FET和膜片設計，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)和消費電子產(chǎn)品設計。CUI公司提供的防水型ECM防護等級分為IP57、IP65和IP67。這些直徑為4mm的全向麥克風具有引線和端點安裝配置，工作頻率高達20kHz，靈敏度等級最優(yōu)達-42dB，SNR從57dBA到70dBA。
圖1：CUI的防水ECM。
用語音控制未來
隨著MEMS麥克風技術的發(fā)展，自動語音識別（ASR）的顯著改進使人們能夠采用虛擬個人助理（例如Siri。Alexa、Cortana和Google Assistant）進行更多的對話交互，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是專為家庭自動化系統(tǒng)、智能手機、電話會議設備、安全/監(jiān)視系統(tǒng)和其他語音控制/激活應用而設計，是一款低噪聲、底部端口、差分模擬輸出型MEMS麥克風。該器件包含一個阻抗轉(zhuǎn)換器和一個差分輸出放大器，具有高達74dBA的SNR，靈敏度為-32dBV（差分）和-38dBV（單端），124dB聲壓級（SPL）聲過載點（AOP），-77dBV的電源抑制（PSR）以及±2dB的靈敏度公差等特性。
同時，InvenSense ICS-40212模擬MEMS麥克風具有很高的動態(tài)范圍和低功耗“AlwaysOn（不斷電）”模式，適用于可穿戴設備、IoT硬件和智能手機等應用。該器件可提供一種低功耗模式，當電源電壓低于2V時將低功耗模式啟動，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，具有嚴格的±1dB靈敏度容差和擴展的頻率響應（35Hz～20kHz）。
意法半導體（STMicroelectronics）的MP34DTx系列 采用頂部端口，具備EMI屏蔽的HCLGA封裝設計，是一種緊湊型、低功耗、全向MEMS數(shù)字麥克風。這些低失真組件具有64dB SNR，122.5dB SPL AOP和-26dBFS±3dB的靈敏度。每個組件都具有采用CMOS工藝制造的IC接口，從而簡化了專用信號調(diào)理電路的設計。
圖3：英飛凌基于MEMS技術的XEN SIV麥克風。
英飛凌（Infineon）的IM69D120和IM69D130 XENSIV全向MEMS麥克風適用于要求低內(nèi)部噪聲（即高SNR）、寬動態(tài)范圍和低失真的應用，其目標應用包括家庭自動化系統(tǒng)、智能揚聲器、IoT硬件等領域。這些麥克風具有脈沖密度調(diào)制（PDM）輸出，70dB的SNR和105dB的動態(tài)范圍以及130dB的SPL AOP。
圖4：Knowles的SP SiSonic MEMS硅麥克風。
Knowles的SP SiSonic系列是為滿足智能手機、筆記本電腦和各種其他便攜式設備而開發(fā)的MEMS硅麥克風，這些目標應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，這些緊湊型、底部端口器件集成有聲學傳感器、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、標準等）。
壓電技術：下一代MEMS麥克風
業(yè)界對更高信噪比以及更高可靠性和耐用性的需求導致壓電MEMS麥克風的開發(fā)，這些技術都是由英國的Vesper Technologies率先推出。該公司的VM1000全向壓電MEMS麥克風具有單端模擬輸出，擴展的動態(tài)范圍和強大的SNR值（1kHz時為94dB SPL）。該麥克風采用防水（IP57級）、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，錄音時具有更準確的聲音選擇。
具有底部端口的 VM1010壓電MEMS麥克風可為許多不同的電池供電智能設備提供語音激活。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，該麥克風能夠使周邊系統(tǒng)從完全斷電模式激活。憑借非常堅固的架構，此麥克風具備可由用戶定義的響度閾值，因而能定制語音激活機制以適合所需的距離，并且還可考慮應用環(huán)境的特定背景噪聲特征。當周圍環(huán)境安靜時，系統(tǒng)將進入低功耗“聲音喚醒”模式，從而可以節(jié)省電池能源。