由於傳統ECM麥克風在效能上的限制，使行動裝置製造商得多投入更多設計資源提升音訊系統的品質。相形之下，MEMS麥克風則具備較佳SNR、抗EMI能力，且毋須手工挑選黏貼，因而獲得更多青睞。
新型微機電系統(MEMS)麥克風將高品質音訊採集能力賦予可攜式設備，同時能夠降低成本、功耗和尺寸。
當今的消費電子設備正處於音訊變革的轉捩點。近年來，設計人員專注於開發打動人心的新功能，如無線聯網和行動電視(Mobile TV)等，但音訊功能的發展卻相對較慢。如今，這種狀況即將改變。
麥克風技術在多方面獲得增強，包括訊噪比(SNR)更高、寬頻頻率回應更平坦、靈敏度和相位匹配度更高等，這些技術進步有望推動新音訊功能的開發，亦即從高畫質音訊和網際網路語音通訊協定(VoIP)，到改進型音訊/視頻錄製，以及用於免持聽筒。
把關音訊系統品質 麥克風為第一道重要關卡
這一趨勢的根本推動力在於系統設計人員逐漸認識到，音訊處理訊號鏈前端的麥克風性能不佳對整體音質有深遠影響。如果構建音訊子系統的麥克風性能有限，則為調理和改善音訊訊號，對下游處理的要求會大大增加。這些要求進而會提高功耗及開發成本，並使系統設計更趨複雜。而且，儘管付出了極大努力，音訊品質仍然會受制於音訊採集所用麥克風的性能，麥克風性能不佳必然會束縛設計人員的手腳，使其借助波束成形、雜訊消除技術和身歷聲等新音訊功能增強最終產品性能的努力大打折扣。
當今消費電子和通訊設備的大多數音訊子系統都採用駐極體電容麥克風(ECM)。這種元件包含附著一層非導電性預充電材料的固定背板和一個通常由敷有金屬的聚酯薄膜製成的柔性薄膜，背板和薄膜可隨聲音運動，二者構成一個電容。
薄膜的運動會改變容值，導致輸出電壓發生變化。一個小型三接腳接面場效電晶體(JFET)安裝於麥克風腔內部，充當電容性感測器與輸出端之間的緩衝器。通常使用一個外部前置放大器向類比數位轉換器(ADC)提供訊號。
傳統ECM面臨性能瓶頸
一直以來，ECM由於供貨來源眾多且價格便宜，而被系統設計人員廣泛採用。ECM的最新發展方向聚焦於降低成本和減小尺寸，但製造商在提高麥克風靈敏度、SNR和線性度方面收效甚微。因此，ECM技術雖然在過去為消費電子應用提供成功的解決方案，但如今卻在多方面限制性能的改善。
ECM的功耗相對較高，這是電池供電的移動系統設計人員的一個主要顧慮，電源抑制(PSR)或抑制電源雜訊的能力同樣相對較差。
較差的PSR令設計人員不得不擔心液晶顯示器(LCD)等其他系統元件所產生的雜訊，從而削弱設計人員放置麥克風時的靈活性。使用ECM的設計人員可以增加一個低壓差穩壓器(LDO)為麥克風產生乾淨的電源，以彌補該技術PSR較差的缺點，但這種方法會增加系統元件數量，加大系統尺寸、功耗和成本。
此外，ECM技術還會引起一些額外的隱性成本。首先，使用ECM往往須要手工裝配，這就會增加製造過程的時間和成本。其次，ECM需要多個其他支援元件，如分立轉換器和前置放大器等，這些額外元件會加大電路板面積要求，也將提高功耗和成本。
再者，與採用當今半導體製程製造的元件相比，ECM無法提供如此小的容差和如此高的元件間性能一致性。ECM的靈敏度和頻率回應隨著元件和溫度的不同而有較大差異，系統設計人員難以為身歷聲等基本應用進行元件匹配。為彌補這種不足，針對此類應用製造商常常必須手工挑選ECM，以便更好地匹配元件，而這又會提高成本，使製造過程進一步複雜化。
為消除其中的一些問題，系統製造商已經開始改用表面黏貼ECM。但是，無鉛製造所用的更高回流焊接溫度會降低ECM性能，為減輕回流焊工藝對ECM性能的影響，製造商往往不得不進行多次回流焊操作。
MEMS麥克風解決ECM問題
基於MEMS技術的新一代麥克風突破ECM的許多局限性。這種全新的麥克風設計方法可提供數位或類比輸出，明顯改善音訊採集的品質，適合於要求高保真的音訊/視頻錄製、免持聽筒、TIA-920相容型VoIP、語音辨識等應用。
雖然MEMS麥克風的最初應用僅限於助聽領域，但分析人士認為，MEMS麥克風技術的最新發展將能使數百萬顆該類元件在今後幾年被整合到流行的消費電子設備中，如藍牙(Bluetooth)電話聽筒、手機、個人電腦(PC)和攝影機等。
新型麥克風利用MEMS技術將壓敏薄膜直接蝕刻到矽片中。設計人員通常將分立感測器與整合前置放大器和ADC的特定應用積體電路(ASIC)匹配使用。
目前使用的絕大部分MEMS麥克風提供類比輸出，但近期的數位MEMS元件可望大幅節省成本、功耗和尺寸。
數位輸出MEMS麥克風還能極大地抑制無線區域網路(Wi-Fi)天線以及LCD時脈訊號等來源所產生的射頻(RF)雜訊和電磁干擾(EMI)。此外，數位輸出MEMS麥克風還能消除類比訊號調理需求，以及類比訊號布線通常需要的傳統電纜遮罩。這些進步將使系統設計人員能更靈活自由地安排麥克風在其設計中的位置，從而最大程度地發揮音訊增強功能，如身歷聲和陣列波束成形等。
無論是類比輸出還是數位輸出，基於MEMS的麥克風都可以消除ECM帶來的諸多隱性成本。MEMS麥克風採用半導體製程製造，元件與元件之間的產品容差高度一致。
此外，採用MEMS麥克風再也毋須進行手工裝配和手工挑選元件等耗時的操作。且無鉛焊接所需的更高回流焊溫度也不會影響基於矽的MEMS麥克風性能，因而最終產品的品質和可靠性得以增強。
同樣重要的是，MEMS麥克風製造商現已能夠提供支援高品質音訊採集的麥克風。例如，亞德諾(ADI)數位和類比輸出全向MEMS麥克風可提供業界最高的61dB A加權SNR性能。
具更高SNR MEMS麥克風讓原音再現
MEMS麥克風更高的SNR，使消費電子製造商能夠針對電話會議或高保真音訊/視頻錄製等應用，提供更好的近場和遠場性能。業者的MEMS麥克風典型頻率響應在100Hz?15kHz以上範圍內基本上是平坦的。
可靠性是麥克風設計的另一個重要關注點，特別是在消費電子應用中。大部分MEMS麥克風製造商將MEMS元件放在封裝內部遠離封裝聲音埠的地方，以便保護薄膜。這種方法的弊端是封裝內部空間與聲音埠一起構成一個亥姆霍茲(Helmholtz)諧振器，會降低頻率回應性能。
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| 圖1 數位MEMS麥克風電路設計架構圖 |
為解決這一問題，工程師開發了一種MEMS元件(圖1)，能承受160dB以上的聲壓級衝擊，並且保護薄膜免受環境灰塵顆粒的影響。這種穩定可靠的設計使得MEMS元件能夠直接放在封裝中開放聲音埠的上方，從而消除諧振，確保頻率回應極為平坦。更平坦的頻率回應可使聲音聽起來更加清晰、自然和悅耳，同時能令設計人員更輕鬆改善遠場性能，並增加新特性。
與ECM相比，最新一代MEMS麥克風還能提供出色的雜訊抑制能力。例如，業者的新型類比輸出MEMS麥克風提供70dBV的PSR，數位輸出MEMS麥克風則提供80dBFS，這些特性可大大簡化電源設計要求，並明顯提高設計人員在電路板布局方面的靈活性。
業界對更高音訊性能的需求顯然正在不斷增長，從藍牙電話聽筒、筆記型電腦到手機和數位攝影機，各種消費電子設備都把高音質視為搶攻市場的利器之一。由於當前ECM技術的局限，要滿足這些需求面臨著嚴重的障礙。借助半導體製造的優勢，基於MEMS的麥克風使系統設計人員，特別是那些注重性能、空間受限、需要多麥克風的系統設計人員有機會在尺寸更小、功耗更低、可靠性更高的表面黏貼封裝中實現更高水準的音訊功能，從而更容易整合到音訊處理訊號鏈之中。
(本文作者為亞德諾MEMS麥克風產品線市場經理)