おそらく、数年前のマーケティング キャンペーンで、”Can you hear me now?” というフレーズがあったのを覚えていらっしゃるでしょう。 ウェアラブルからホーム アシスタントまで、今日設計されているますます多くのデバイスが、その環境を「聞く」ことを求められています。 正しいマイクを使えば、アプリケーションはほとんどすべての音を正確に捉えることができます。マイクを構成するために最も一般的に使われている2つの技術は、MEMSとエレクトレットコンデンサーです。 この2つの技術は似たような原理で動作しますが、どちらかを選ぶべきユースケースは多くあります。 それを念頭に置いて、MEMS とエレクトレット コンデンサー マイクロフォンの基本を確認し、技術間の違いを比較し、それぞれのソリューションの利点を概説します。
MEMS マイクロフォンの基本
MEMS マイクロフォンは、プリント基板 (PCB) 上に置かれた MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 部品と機械カバーで保護されて構成されています。 マイクロホンに音を通すためにケースに小さな穴を開け、その穴がトップカバーにある場合はトップポート、PCBにある場合はボトムポートとして指定されます。 MEMS コンポーネントは、多くの場合、半導体ダイ上に作成された機械的なダイアフラムと実装構造で設計されています。
Typical MEMS microphone construction
MEMS ダイヤフラムはコンデンサーを形成し、音圧波によってダイヤフラムを移動させます。 MEMS マイクロフォンは、通常、オーディオ プリアンプとして機能する第 2 の半導体ダイを含み、MEMS の変化する静電容量を電気信号に変換します。 オーディオプリアンプの出力は、アナログ出力信号が必要な場合にユーザーに提供される。 デジタル出力信号が必要な場合は、オーディオプリアンプと同じダイにアナログ／デジタルコンバータ（ADC）が搭載される。 MEMSマイクロフォンのデジタルエンコードには、クロックと1本のデータラインだけで通信できるPDM（Pulse Density Modulation）方式が一般的に用いられている。
左：アナログ MEMS マイクロホン アプリケーション回路図 右：デジタル MEMS マイクロホン アプリケーション回路図
エレクトレット コンデンサー マイクロホン基礎
エレクトレット コンデンサー マイクロホン（ECM）は下図のように構築されています。
典型的なエレクトレットコンデンサマイクロホンの構造
エレクトレットダイアフラム（表面電荷が固定されている材料）を導電板に密着させ、MEMSマイクロホンと同様にエアギャップを誘電体としたコンデンサが形成されています。 エレクトレット振動板を移動する音圧波によって静電容量の値が変化すると、コンデンサーの電圧が変化し、ΔV＝Q／ΔCとなる。 このコンデンサ電圧の変化をマイクロホン筐体に内蔵されたJFETで増幅・バッファリングしています。 JFETは通常コモンソース構成で、外部アプリケーション回路では外部負荷抵抗とDCブロッキングコンデンサが使用されます。
ECM アプリケーション回路図
Differences in Microphone Technologies
ECM とMEMSマイクロフォンのどちらを選択するかについては多くの検討事項がありますが、ここでは、MEMSマイクロフォンについて説明します。 MEMS マイクロフォンの市場シェアは、この新しいテクノロジが提供する多くの利点により、急速なペースで増加し続けています。 例えば、スペースに制約のあるアプリケーションでは、MEMSマイクロフォンの小型パッケージが魅力的です。また、MEMSマイクロフォンの構造に含まれるアナログ回路とデジタル回路のおかげで、PCB面積と部品コストの両方を削減することが可能です。 アナログMEMSマイクロフォンの比較的低い出力インピーダンスとデジタルMEMSマイクロフォンの出力は、電気的ノイズの多い環境でのアプリケーションに理想的です。 高振動環境では、MEMSマイクロフォン技術を使用することで、機械的な振動によってもたらされる不要なノイズのレベルを低減することができます。 さらに、半導体製造技術とオーディオプリアンプの搭載により、密接にマッチした温度安定性の高い性能特性を持つMEMSマイクロフォンの製造が可能になりました。 このような特性は、MEMSマイクロフォンがアレイに使用される場合に特に有効である。 4500>
MEMS マイクロフォンは急速に普及していますが、エレクトレット コンデンサー マイクロフォンが好ましいとされるアプリケーションもまだ存在します。 多くのレガシー設計では ECM を使用しているため、プロジェクトが既存設計の単純なアップグレードである場合、ECM を使用し続けることが最善である場合があります。 ECMをアプリケーション回路に接続する方法には、ピン、ワイヤ、SMT、はんだパッド、スプリングコンタクトなどがあり、エンジニアは設計の柔軟性を高めることができます。 埃や湿気からの保護が問題であれば、物理的なサイズが大きいため、高いIP（Ingress Protection）等級を持つECMを簡単に見つけることができます。 不均一な空間感度を必要とするプロジェクトでは、ECM 製品は、単一指向性またはノイズ キャンセルのいずれかの指向性を備えています。
Selecting the Appropriate Microphone Technology for Your Project
エレクトレット コンデンサー マイクロフォンと MEMS マイクロフォンを使用するかどうかは、プロジェクトの要件に依存します。 MEMSマイクロフォンは、その多くの固有の利点により人気が高まり続けていますが、ECMは、より幅広いパッケージングと指向性のオプションのおかげで、さまざまなアプリケーションで依然として使用されています。 選択された技術に関係なく、CUI Devicesは、お客様のプロジェクトが必要とする音を「聞く」ことができるように、幅広いマイクロフォン製品を開発し提供し続けています。