MEMS vs. エレクトレットコンデンサーマイク：どのマイク技術を選ぶべき？

数年前のマーケティングキャンペーンで使われていたフレーズ「今聞こえますか？」を覚えているかもしれません。今日ではウェアラブルデバイスや家庭用アシスタントなど、ますます多くのデバイスが周囲の音を「聞く」ように設計されています。適切なマイクロフォンを使用することで、アプリケーションがほぼあらゆる音を正確にキャプチャすることが可能になります。マイクロフォンの構造に使用される最も一般的な技術には、MEMSとエレクトレットコンデンサの2つがあります。この2つの技術は類似の原理で動作しますが、用途に応じてどちらかを選ぶ理由が多く存在します。この点を考慮し、MEMSおよびエレクトレットコンデンサマイクロフォンの基本をレビューし、技術間の違いを比較するとともに、それぞれのソリューションの利点を説明します。

MEMSマイクロフォンの基礎

MEMSマイクは、プリント基板（PCB）上に配置されたMEMS（微小電気機械システム）コンポーネントで構成され、機械的なカバーで保護されています。ケースには小さな穴が加工されており、この穴によって音がマイク内に入り込む仕組みです。穴が上部カバーにある場合は上部ポート付き（top-ported）、穴がPCBにある場合は下部ポート付き（bottom-ported）と呼ばれます。MEMSコンポーネントは、多くの場合、半導体ダイ上に作られた機械的な振動膜と取り付け構造を備えるように設計されています。

MEMSダイアフラムはコンデンサを形成し、音圧波によりダイアフラムが動きます。MEMSマイクロフォンには通常、音声のプリアンプとして機能する第2の半導体ダイが含まれています。このプリアンプはMEMSの変化する容量を電気信号に変換します。アナログ出力信号が必要な場合は、音声プリアンプの出力がユーザーに提供されます。デジタル出力信号が必要な場合、音声プリアンプと同じダイにアナログ-デジタル変換器（ADC）が含まれています。MEMSマイクロフォンでデジタル符号化に使用される一般的なフォーマットは、パルス密度変調（PDM）であり、これによりクロックおよび単一のデータラインのみで通信が可能になります。受信側でのデジタル信号の復号化は、データの単一ビット符号化によって簡素化されます。

エレクトレットコンデンサーマイクの基本

エレクトレットコンデンサーマイク (ECM) は、以下の図に示すように構築されています。

エレクトレットダイアフラム（固定表面電荷を持つ材料）が導電性の板の近くに配置されており、MEMSマイクロフォンと同様に、空気ギャップを誘電体としてコンデンサが形成されています。コンデンサの電圧は、エレクトレットダイアフラムが音圧波によって動き、その結果、容量値が変化することで変化します。ΔV = Q/ΔC。このコンデンサ電圧の変動は、マイクロフォンハウジング内にあるJFETによって増幅され、バッファリングされます。JFETは通常、共通ソース構成で設定され、外部アプリケーション回路では外部負荷抵抗と直流遮断コンデンサが使用されます。

マイク技術の違い

ECMマイクロフォンとMEMSマイクロフォンを選択する際には多くの考慮事項があります。MEMSマイクロフォンの市場シェアは、この新しい技術が提供する多くの利点により急速なペースで成長を続けています。例えば、スペースに制約が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あり、また、MEMSマイクロフォンの構造にアナログ回路やデジタル回路が含まれているため、PCB面積と部品コストの両方を削減できます。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やデジタルMEMSマイクロフォンの出力は、電気的にノイズの多い環境でのアプリケーションに最適です。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、機械的振動によって生じる不要なノイズのレベルを軽減することができます。さらに、半導体製造技術やオーディオプリアンプの統合により、性能が均一で温度に安定した特性を持つMEMSマイクロフォンを製造することが可能です。これらの安定した性能特性は、MEMSマイクロフォンがアレイアプリケーションで使用される場合に特に有益です。製品製造時には、MEMSマイクロフォンはピック＆プレースマシンで簡単に取り扱うことができ、またリフローはんだ付けの温度プロファイルにも耐えることができます。   MEMSマイクロフォンの人気は急速に高まっていますが、それでもエレクトレットコンデンサマイクロフォン（ECM）が好まれる場合もあります。多くのレガシーデザインはECMを使用しており、そのため、プロジェクトが既存のデザインへの単純なアップグレードである場合、ECMを引き続き使用するのが最良の選択となる場合があります。ECMをアプリケーション回路に接続するためのオプションには、ピン、ワイヤー、SMT、はんだパッド、スプリングコンタクトなどがあり、エンジニアに追加の設計柔軟性を提供します。ほこりや湿気からの保護が問題となる場合、物理的にサイズが大きいために高い保護等級（IPグレード）を持つECM製品を見つけるのは容易です。不均一な空間感度を必要とするプロジェクトでは、方向性（単一指向性またはノイズキャンセリング）を備えたECM製品が利用可能であり、また、広い動作電圧範囲を持つECMは、電圧レールの安定性が甘い製品において優先的に選ばれる解決策となる可能性があります。

プロジェクトに適したマイク技術を選択する

エレクトレットコンデンサーマイクとMEMSマイクのどちらを使用するかは、プロジェクトの要件によって決まります。MEMSマイクはその多くの固有の利点によって人気が高まり続けていますが、ECMは包装と指向性のオプションがより幅広いことから、さまざまな用途で依然として使用されています。選ばれる技術に関わらず、Same Skyはプロジェクトが必要な音を「聞く」ことができるように、幅広いマイク製品を開発・提供し続けます。